Faanyagok viselkedése tőzben Az utóbbi idıben sokat foglalkoztak ezzel a kérdéssel és rengeteg új kísérleti eredmény került a nyilvánosság elé. Helyenként a túlzott követelmények akadályozzák a fa építıanyagként történı felhasználását a korszerő és gazdaságos szerkezetekben. Ahhoz hogy a fa alkalmazásával kapcsolatos tőzvédelmi problémákat elemezni tudjuk, elengedhetetlen, hogy a fa tőzben való viselkedésével tisztában legyünk. A fa felépítése A fának a jó tulajdonságai összetételébıl adódnak. Felépítése kívülrıl befelé haladva Elsı réteg a külsı fakéreg, amely a mögötte lévı rétegeket védi a sérülésektıl. Ezután következik a belsı kéreg, a háncs, ami a fák ellátó vezetéke. Alatta fekszik a növekedést biztosító réteg, amelyet a szakemberek szijácsnak neveznek. Ez a fatörzsnek az élı része, amely az új fát termeli, és vízvezetékként szolgál a fa koronájához. Mint tápanyagokban leggazdagabb rész ez a szijácsfa egyrészt különösen veszélyeztetett, másrészrıl azonban tulajdonságai révén alkalmas egy 12 nagyhatású impregnálásra. Végül van a geszt, mint a központi támasztó oszlop. A fatest sejtfalának fı alkotórészei Holocellulóz (70-80 %): - cellulóz 50 % (C6H10O5), - hemicellulóz vagy fapoliozánok, - pentozánok, - hexozánok, - poliuron savak, - pektinek. Lignin (22-29 %): bonyolult összetételő aromás vegyület. Víz: a fa természetes nedvességtartalma, változó százalékos arányban Egyebek (1 %): - éterikus olajok, - gyanták, - keményítık, - fenolos gesztanyagok, - terpének. A fa és fahelyettesítı anyagok éghetıségi csoportba történı besorolása Az éghetıség az építıanyagok tőz, illetve magas hımérséklet hatására történı viselkedésének meghatározására szolgáló jellemzı. A jelenlegi szabályozás szerint az egyes építıanyagokat éghetıségi csoportokba (éghetı, nem éghetı) és éghetıségi alcsoportokba (nehezen éghetı, éghetı, könnyen éghetı) soroljuk. Az éghetıséggel kapcsolatos fogalmakat és vizsgálatokat a vonatkozó MSZ elıírásai tartalmazzák. 2. táblázat: Éghetıségi csoportok és alcsoportok a jelenlegi szabályozás
3. táblázat: Éghetıségi csoportok és alcsoportok az MSZ EN 13501-1 szerint. A1 A jelenlegi hazai szabályozással gyakorlatilag megegyezik. pl.: Nem éghetı beton, kı A2 A jelenlegi hazai szabályozással nagyrészt megegyezik. pl.: ásványgyapot, gipszkarton B Szervesanyag tartalom meghatározással, lángterjedési paraméterek alapján minısítik (a jelenlegi,,nehezen éghetı" alcsoportnak leginkább megfelelı). pl.: egyes gipszkartonok, égéskésleltetéssel ellátott fa C Hasonlóan a B-hez, de más paraméterekkel, kritériumokkal. pl.: PIR hab hıszigetelések Éghetı D Hasonlóan a B-hez, de SBI + lángterjedési paraméterek vizsgálata. pl.: természetes állapotú kiszáradt fa, fa alapanyagú panelek E Csak lángterjedési paraméterek vizsgálata (a jelenlegi,,könnyen éghetı" csoportnak leginkább megfelelı). pl.: néhány szintetikus polimer F Amennyiben nem ismerjük az anyag tőzvédelmi paramétereit (csak alárendelt helyen beépíthetı anyagok, természetes építıanyagok egy része). SBI: Single Burning Item A fa égését befolyásoló tényezık A fa égését számos tényezı befolyásolja. A továbbiakban csak azokkal foglalkozunk, amelyek általunk módosíthatóak, tervezhetıek. A különbözı fafajok égését befolyásoló tényezık: Sőrőség, szöveti felépítés
Nedvességtartalom Extrakt anyagok (gyanta, geszt) Méret és tagoltság Faanyag egészségi állapota Hımérséklet Hıvezetési tényezı nagysága Sőrőség, szöveti felépítés Egyes faanyagok fatörzsben elfoglalt helye és a különbözı termıhelyrıl származó anyagok közt is lényeges különbség lehet. A sőrőség növekedésével csökken a fa porozitása, így jelentısen megnı a gyulladási idı, a gyulladáshoz szükséges energia. Viszonylag nagyobb sőrőségő faanyag beégési sebessége (az elszenesedés idıbeni elırehaladása), akár 50 %-al nagyobb lehet, mint egy azonos fafajú, de lazább szerkezető társának. Nedvességtartalom A faanyag higroszkopikus tulajdonságokkal rendelkezik. Bármekkora is volt elıtte a faanyag nedvességtartalma a környezetével folyamatosan egyensúlyi nedvességtartalmat tart fent. Mivel a levegıben mindig van nedvesség, ezért a faanyag is mindig tartalmaz nedvességet. Az égés során a fában lévı vizet elıször fel kell melegíteni, majd gızzé átalakítani. Ez a folyamat jelentıs mennyiségő hıt von el a fától. Vagyis minél nedvesebb a faanyag, annál nehezebben képes égni, annál nagyobb a hıelvonás. Ezért különböztetik meg az égéshıt, amely abszolút száraz faanyagra, és a főtıértéket, amely a nedves faanyagra vonatkozik. Az utóbbi a kisebb értékő. Extrakt anyagok (gyanta, geszt) A faanyagnak a geszttel telerakódott éghetısége kb. 30 %-al kisebb, mint a törzsön lévı szijácsnak. Ez a sejtek gázáteresztı képességének növekedésével van összhangban. A szijács a farész külsı rétege, a geszt az élettevékenység nélküli belsı rész. A fenyık nagyobb mennyiségben tartalmazhatnak gyantát. Bár a gyanta biológiailag ellenállóbbá teszi a fát, de a főtıértékének nagysága miatt (nagyobb, mint a faanyagnak kb. 35 KJ/kg) sokkal tőzveszélyesebbé is teszi. Különösen a gyantatáskák kedvezıtlenek, mert megolvadva végigfolynak a felületen, és gyújtóhatásúak lehetnek. Egy ilyen belobbant gyantatáska megakadályozza a szénréteg kialakulását, így sokáig égı gyújtóforrásként viselkedik. Méret és tagoltság A tőz a faanyagban mindig kívülrıl befelé halad. A beégési sebesség a fafajra jellemezı, közel állandó érték. Átlagosan 1 mm-t hatol be percenként egy 10x10 cm keresztmetszető szarufa így kb. 40-50 perc alatt ég át teljesen. Ha ezt hosszában függılegesen kettéfőrészeljük, és úgy építjük be, akkor statikailag a keresztmetszet és annak inerciája, teherbíró képessége nem változik, de e szerkezet beégési ideje a felére csökken. Ez a tény nem kedvez a korszerő rácsos és mérnöki faszerkezeteknek, ahol statikailag ugyan megfelelne a szerkezet, de tőzállósági szempontból a karcsú keresztmetszetek nem megfelelıek. Minél nagyobb keresztmetszető darabokból épül fel egy szerkezet, annál nagyobb a tőzállósága. A tagoltság szempontját figyelembe véve megfigyelhetı, hogy a tőz nem a lapok, hanem az élek mentén terjed gyorsabban a meggyújtás után. Ez egyrészt az anyag geometriai formájával, másrészt azzal magyarázható, hogy az éleket jobban körülveszi az égéshez szükséges levegı, mint a sík fafelületet. Faanyag egészségi állapota A farontó gombák a fa fı alkotórészeit képezı cellulóz vagy lignin lebontásával nemcsak a szilárdságot csökkentik, hanem a faanyag tömegét, az éghetı anyag mennyiségét is. Ennek következtében a beégési sebesség akár a duplájára is nıhet. A farontó rovarok furatokat, járatokat képeznek a fában. Ezzel egyrészt csökkentik a fa szilárdságát, másrészt a járatokon keresztül gyorsabban a fa felületére jutnak az éghetı gázok, így szintén gyorsabban ég át egy ilyen
faanyag, mint egy egészséges állapotban lévı. Másik problémát a száradás közben jelentkezı belsı feszültségek miatt a faanyagban, hosszirányban keletkezı repedések jelentik. Ez fıleg a teherhordó faszerkezeteknél okoz problémát. A repedések a faanyag szilárdságát lényegesen nem befolyásolják, de a mély repedések miatt a tőznek kitett felület nagysága jelentısen megnı, a határkeresztmetszetek lényegesen lecsökkenhetnek. Ebbıl a szempontból a rétegelt-ragasztott faszerkezetek sokkal kedvezıbben viselkednek, mint az erısen repedezett természetes faanyagok, mivel üzemi körülmények között megfelelıen készített és szakszerően beépített tartók esetén nem alakulnak ki repedések. A fa égésének folyamata Az elızı részben említett fa égését befolyásoló tényezık közül, a fa hımérsékletérıl és a hıvezetési tényezı nagyságáról ebben a részben szeretnék beszélni. A fa tőzvédelmi problémáinak elemzéséhez a fa tőzben való viselkedését kell megismerni. Hı hatására a környezet és a fa hımérséklete is emelkedik, de 100 0C alatt nem történik észrevehetı változás. A fa száradása a hımérséklet emelkedésével párhuzamosan egyre nagyobb mértékővé válik. Ez alatt az idı alatt a fa elveszíti a szabad- és kötött víztartalmát. Ez a folyamat 100-110 0C-os hımérsékletig tart. 110-200 0C hımérséklet között a fa fokozódó elszínezıdése és a többnyire nem éghetı bomlástermékek törnek a felszínre. Eme termikus bomlásfolyamat eredménye az éghetetlen szén-dioxid 70%-os részarányban, valamint az éghetı szénmonoxid igen alacsony 30%-os részarányban. A hımérséklet további emelkedésével emelkedik az éghetı gázok (szénmonoxid, hidrogén, metán, stb.) mennyisége és primer exoterm reakciók indulnak. Ekkor indul meg a fa fı alkotórészének a cellulóznak a lebomlása is. A keletkezı szénhidrogének körülbelül 230 0C-on nyílt láng hatására lángra lobbannak. Ezt a hımérsékleti pontot nevezzük gyulladási pontnak. Magasabb hımérsékleten, körülbelül 350-400 0C-on a keletkezı bomlástermékek a levegı oxigéntartalma miatt lángra lobbannak és bekövetkezik az öngyulladás. Ezt a hımérsékleti pontot öngyulladási pontnak nevezzük. Körülbelül 500 0C-ig folyamatos az égés. Erıs exoterm reakciók illetve igen intenzív gázképzıdés játszódik le. 1. ábra. A hımérsékletemelkedési görbe belsı tőz esetén A görbe egyenlete: t=345 log (8r+1)
A gyulladási és az öngyulladási pont meghatározott értéke az elızı részben tárgyalt és még sok más tényezıktıl függ. A faanyagok esetében az égés folyamata nem egyenletes intenzitású. Az égés kezdetétıl körülbelül 500 0C-ig igen intenzív az éghetı gázok képzıdése, de 500 0C felett csökken a gázképzıdés és gyúlékony szenek képzıdnek és égnek el. Az elszenesedett felszíni réteg akadályozza, lassítja a továbbégést. Az elszenesedett réteg jó szigetelıképessége révén ugyanis csökkenti a mélyebb rétegek felmelegedését, az éghetı szénhidrogének képzıdését. A tartósan magas hımérséklet hatására az égés lassulását követıen intenzívebb égés jön létre. A faanyag ugyanis teljes keresztmetszetében átmelegszik, így teljes keresztmetszetébıl éghetı szénhidrogének szabadulnak fel, ezek a felszínre törnek és elégnek. Ezt követi a visszamaradó faszén utóizzása, mely a levegı oxigénjének köszönhetıen a faanyag hamuvá történı elégéséhez vezet. A fa égésének folyamatát anyagi tulajdonságai megjelenési formája valamint mérete is meghatározza. A gyulladás és égési sebesség szempontjából fontos tényezı a faszerkezeti elem F felületének, a V térfogatához való viszonya. Minél nagyobb ugyanis a c=f/v viszony, annál könnyebben következik be a gyulladás, és annál gyorsabban terjed az égés. Ehhez járul további befolyásoló tényezıként a közvetlen környezet hımérséklete és a levegı- (oxigén-) utánpótlás mértéke. A beégési sebesség és a tőzállóság Ha az egyezményes hımérséklet-emelkedési görbét (1. ábra) figyelembe vesszük, akkor az acélszerkezet tőzállósága mintegy 15-20 percre tehetı. A faanyag hıvezetési tényezıje az acélénál jóval kisebb ( =0,16mK/W a fenyıfa rostirányára merılegesen). A fa az acélhoz képest jóval késıbb melegszik fel tőz hatására és szilárdsága a hımérséklet emelkedésével alig változik. A fa beégési sebességét és az azzal összefüggı tőzállósági határértéket nagymértékben befolyásolja a már tárgyalt faszénképzıdés. Az égés során keletkezett faszénréteg még rosszabb hıvezetı, mint maga a fa, és mintegy szigetelıréteget képez a tőz további behatolásával szemben ( =0,04 mk/w). Ez a szigetelıréteg ugyanis a fa keresztmetszet kerületének és területének megfelelı aránya esetén kielégítı védıhatást nyújt mindaddig, amíg a faszénréteg által védett szerkezeti mag biztosítani képes a megfelelı szilárdsági értéket. A faszénrétegnek köszönhetıen a beégés sebessége csökken. A rétegelt-ragasztott szerkezetek, pl. lucfenyı alkalmazása esetén, a beégés sebessége jó közelítéssel állandónak tekinthetı, és mintegy 0.6 mm/perc. A beégés mértékének növekedésével a keresztmetszeti tényezı csökken. A faszerkezetek tőzzel szembeni ellenállásának mértéke növekszik a keresztmetszeti méretek növelésével. Ezt szemlélteti a 3.ábra. A tartómagasság hatását a tőzállóság idejére a 4. ábra szemlélteti.
2. ábra. Különbözı anyagú és mérető elemek tőzzel szembeni ellenállása. a) alumínium szerkezet; b)acélszerkezet; c) faszerkezet deszkamérető elemekkel (26 52 mm); d) fa- szerkezet pallómérető elemekkel (52 100 mm); e) hımérséklet-emelkedési görbe 4. ábra. Tartók tőzállóságai ideje a méretek függvényében (Imazium szerint). A b a tartókeresztmetszet szélessége, [ cm]. A tőzállósági határérték a beégési sebességgel összefüggı érték. Hazai és külföldi kísérletek megegyezı véleménye szerint a fa beégési sebessége 0.6 mm/perc, mint azt már említettem. Az elvégzett kísérletek alapján, árnyaltabb értékeket kapunk, amelyeket az európai országokban már alkalmaznak. 4. táblázat: Beégési sebességek az MSZ EN 13501-1 szerint. a) Puha fa és bükk. ragasztott laminált fa 290/m 3 -nél nagyobb sőrőségre homogén fa 290/m 3 -nél nagyobb sőrőségre b) Keményfa homogén vagy ragasztott keményfa 290 kg/m 3 -es sőrőséggel homogén vagy ragasztott keményfa 450 kg/m 3 -es sőrőségnél nagyobb sőrőségnél c) LVL- rétegelt ragasztott tartó 480 kg/m3-nél nagyobb sőrőségnél d) panelek fa panelek furnérlemez nem furnérlemez- fa alapú panelek β0 mm/perc 0,65 0,65 0,65 0,50 β n mm/perc 0,7 0,8 0,7 0,55 0,65 0,7 0,9 0,9 0,9 - - - Ezen érték birtokában méretezhetı adott esetben valamely tartószerkezet tőzállósága. A tőzállósság függ: Anyagtól (tömörség) Beégési sebességtıl (tájékoztató értékek!)
Fenyı: 1.0 mm/perc Nyár: 1.3 mm/perc Akác: 0.6 mm/perc Tölgy: 0.5 mm/perc A tartó kihasználtságától A faszerkezetek kapcsolataitól Magyarországon, a beégési sebességen alapuló tőzállósági határérték számítás többnyire csak rétegelt-ragasztott tartókra végezhetı el, mivel a főrészelt faanyagaink többsége nem repedésmentes. A felületi elszenesedés, beégés mértékének meghatározására végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy az égéskésleltetés még ha azt impregnálással végzik is csak kismértékben csökkenti a beégési sebességét. Jobb védelmet nyújt a burkolat, amelynek a hatására az elszenesedés csak késıbb, mintegy 30 min múlva kezdıdik el. Hasonló tendencia figyelhetı meg (Kolb vizsgálatai szerint) a behajlások alakulásában is (5. ábra). 5. ábra. A beégés és lehajlás alakulása tőz esetén a beégési idı függvényében (Kolb szerint) Gyakorlati tapasztalatok is bizonyítják, hogy a viszonylag nagyobb keresztmetszető, tömör, ragasztott fıtartók tőzállósága meghaladja a 60 percet.. Ez általában elegendı idı a beavatkozásra. Az elsıdleges cél mindenkor az életmentés, másodlagos az anyag megóvása. Egyes országokban lakóépületeket 1 h-s, a középületeket 2-2,5 h-s fennállásra tervezik a tőzzel szemben. Összefoglalva megállapítható, hogy - bár a fa éghetı anyag, bizonyos keresztmetszeti méretek felett kedvezı tulajdonságai tapasztalhatók a tőzzel szemben; - különösen kedvezınek minısíthetık e tekintetben a ragasztott, tömör keresztmetszető faszerkezetek; - a tőz hatására keletkezı felületi elszenesedés csökkenti a beégési sebességet, ezáltal lassítja teherbíró-képesség csökkenését; - a ragasztott, tömör keresztmetszető faszerkezetek tőz esetén kedvezıbben viselkednek, mint az acélszerkezetek, mert hı hatására sem szilárdságcsökkenés, sem káros mértékő alakváltozás nem keletkezik; - a korszerő faszerkezetek tőzzel szembeni ellenállását általában alábecsülik, a tőzesetek károsító hatása az adott védekezési lehetıségek igénybevételével minimálisra
csökkenthetı, ami más építıanyagokkal összehasonlítva, a fa eddiginél kedvezıbb megítélését indokolja. A leginkább használt fafajok: luc, jegenye-, duglász-, erdeifenyı, tölgy, akác, vörösfenyı (speciális célokra), bükk, nyár, éger. Ezek a fafajok közepesen éghetınek minısülnek. További fafajok csak megfelelı szakintézeti vizsgálatok, mőszaki engedélyek alapján alkalmazhatók a szerkezetgyártás területén. Hazai fafajaink tartóssága: igen tartós: akác, tölgy, gesztenye, vörösfenyı tartós: feketefenyı, erdeifenyı, szil kevésbé tartós: lucfenyı, jegenyefenyı, kıris nem tartós: bükk, gyertyán, juhar Hazai fafajok tőzzel szembeni ellenállása: jól ellenálló: akác, bükk, kıris, tölgy közepesen ellenálló: erdeifenyı, feketefenyı, nyír, vörösfenyı nem ellenálló: dió, cseresznye, lucfenyı legkevésbé ellenálló: éger, hárs, jegenyefenyı, nyár. Faszerkezetek tőzállósági méretezése Akkor szükséges, ha van tőzállósági határérték követelmény ésvizsgálattal nem igazolt vagy nem igazolható. A követelményt a 2/2002 (I. 23.) BM rendelet tartalmazza. Táblázataiban a tőzállósági fokozat és a szintek száma megállapítja minden építmény fı épületszerkezeteinek esetében a tőzállósági határérték és az éghetıség követelményét, külön kiemelve ezeket, a tőztechnikai jellemzıket a csarnoképületek és a tetıtéri helyiségek épületszerkezeteinek vonatkozásában. A követelmény a szabvány által elıírt értékek: Th: 0,2 óra Th:0,5 óra Th: 0,75 óra Tőzállósági határérték szerint a szükséges szelvényméret számítása: 1) A várható igénybevételnek megfelelı keresztmetszet meghatározása. A hasznos terhek biztonsági tényezıit figyelmen kívül lehet hagyni. Pontos terhelés helyett megengedett a határterhelés 80 %-át alapul venni. 2) A tőz és magas hımérséklet által károsított szelvénymélység meghatározása laboratóriumi vizsgálattal igazolt és nemzetközileg elfogadott sebességértékek alapján. Meglévı szerkezet ellenırzése: befoglaló méretek vagy keresztmetszeti tényezı megfelelıség alapján nyomott szerkezeteknél több lépcsıben A számításos eljárás nem illetve megszorításokkal alkalmazható: bizonyos szelvényvastagság alatt erısen repedezett szerkezet esetén fém kapcsolóelemek esetén fém részek megfelelı védelmérıl külön kell gondoskodni Tőzállósági határérték növelése Fı tervezési-kivitelezési szabályok felületfolytonos védelem, amely mögött nem lehet gyújtóforrás (pl.: elektromos vezeték), életvédelem (mechanikai sérülések ellen) tömítıpaszta alkalmazása a toldásokban
két réteg burkolat esetén eltolt hézagképzés A védelem vastagságának méretezése. Magyarországon csak minıségtanúsítvány alapján. U/A érték, kerület/keresztmetszet hányados. Magyarországon nem használható. Elv: minél nagyobb az adott keresztmetszethez a hıfelvevı felület, annál gyorsabban melegszik át a szelvény- annál vastagabb védelem kell az adott anyagból. Gyakorlati, kivitelezési módszerek azbesztcement építılemezek (az azbeszt bizonyítottan rákkeltı hatása miatt betiltásra kerültek) égéskésleltetett papír hordozórétegő gipszkarton lemezek (tőzvédelmi gipszkarton építılemezek) 12,5 és 15 mm vastagságban- 1,5 óra tőzállósági határértékig 6. ábra: Gipsz építılemezben lévı kristályvíz elgızölgésének hatása a hátoldalon mérhetı hımérsékletre. gipszrost lemezek- gipsz alapanyagú, de üvegszál erısítéses lemezek- 3 óra tőzállósági határértékig
a) gipszkarton lemez b) gipszrost lemez 7. ábra: a) Körbeburkolás gipszkarton lemezzel 2 rétegben, eltolt hézagképzéssel, b) Körbeburkolás gipszrost lemezzel 1 rétegben, tömített hézaggal aluminátcement kötıanyagú rostszilikát építılemezek (nem éghetı töltıanyag, a pórusszerkezet miatt jó hıszigetelı képesség, hıálló kötıanyag)- 3 óra tőzállósági határértékig hidrotermikus kalciumszilikát kötıanyagú rostszilikát építılemezek (égéskor jelentıs mennyiségő kémiailag kötött nedvesség szabadul fel, amely hıelvonással jár)- 3 óra tőzállósági határértékig