FASZERKEZETEK MÉRETEZÉSE TŰZHATÁSRA AZ EUROCODE 5 SZERINT Kulcsár Béla - dr.Lublóy Éva
Kivonat, kizárólag oktatási célra!
5.1 Bevezetés A fa szerkezeti alkalmazása az utóbbi évtizedekben Európa-szerte újból széleskörben terjed. A hagyományos építészeti alkalmazása - mint tetőszerkezetek, készházak, oszlop-gerendavázas épületek, csarnokok, kilátók, kulisszaépítmények - mellett a mérnöki felhasználás is egyre gyakoribb. A mérnöki szerkezetek jellemző példái a gyalogos- és közúti hidak, hídzsaluzatok vagy a mobil távközlési tornyok tartószerkezetei. Fa szerkezeti anyagból rúd- és felületszerkezetek egyaránt megépíthetők. Fűrészelt fa rúdszerkezetek leggyakrabban a készházépítésben, az általános házak tetőszerkezeteinél vagy látszó fafödémeknél fordulnak elő. Rétegelt ragasztott faanyagot (RR-fa ill. GluLam) jellemzően akkor alkalmazunk, ha a fűrészelt fáénál nagyobb keresztmetszetű vagy hosszúságú, esetleg íves tengelyű elemek szükségesek. Ezzel az faanyaggal pl. oszlopgerenda főtartóvázakat, csarnokokat, hidakat vagy tornyokat építhetünk. Felületszerkezetekre tömör fa falak vagy födémek mutatnak pédát, ezek lehetséges szerkezeti elemei pl. a rétegelt-ragasztott deszkalemezek (CLT) vagy az élpalló táblák. Módosított faanyagból leggyakrabban táblás felületi termékeket, építőlemezeket gyártanak, a szerkezet-építésben közülük leggyakrabban az OSB és a rétegelt lemez (plywood) kerül alkalmazásra. Fűrészelt fa rúdszerkezetek jellemzően fenyőből készülnek (C-szilárdsági osztályúak), leggyakoribb a luc- vagy erdei fenyő, illetve igényesebb esetekben a vörösfenyő. Lombos fafajokat (D-szilárdsági osztályúak) ritkábban alkalmaznak, ha igen úgy tölgyfát vagy elvétve akácot. Ezenkívül számos más fafaj is előfordulhat szerekezeti faanyagként, de használatuk egyedi és általában projektekhez köthető. Mint az összes szerkezeti anyagnál, a fánál is általában acél kapcsoló- vagy megerősítő-elmeket használunk a tartószerkezeti elemeki összeépítéséhez. Ragasztott kapcsolatok túlnyomóan üzemben készülnek, és azáltal a szerkezeti elem részét alkotják. A készházépítésben illetve fa szerkezeti elemek tűzvédelmi burkolataiként túlnyomóan gipsz alapú lemezeket, mint az általános gipszkartont (GKB), tűzálló gipszkartont (GKF) vagy gipszrost lemezeket építenek be.
5.2 A faanyag szilárdsági jellemzői - emlékeztető A fa ortotrop anyagmodellel írható le, rostirányú feszültség-relatív nyúlás diagrammja és a keresztmetszeti feszültség-eloszlás az 5.1.a-b ábrákon látható. Valós - fahibákkal, göcsökkel rendelkező - faanyag esetén közel lineárisan rugalmas, míg a hibamentes faanyagnál képlékeny σ-feszültségábra is megfigyelhető a nyomott övben a tönkremenetel előtt.
a)
b)
5.1.a-b ábrák: A fa σ-ε diagrammja és σ-feszültségek hajlított téglalap szelvénynél [2]
A szerkezeti elemek tönkremenetele jellemzően a húzott övbeli fa-rostok ridegtörésével áll elő, ezért a faelemek igénybevételeinek számítását rugalmas alapon, a keresztmetszeti ellenőrzést – a tiszta nyomás kivételével – szintén rugalmas anyagmodellel végezzük. Képlékeny ellenőrzés alapvetően a képlékeny tartalékkal rendelkező acél csap típusú ill., fogas tárcsás kapcsolatoknál alkalmazható. A fa szilárdsági jellemzőit befolyásolja az igénybevétel módja, a terhelő erő / feszültség és a rostirány által bezárt szög, a faanyag egyensúlyi nedvességtartalma és a működő teher időtartama. A fa viselkedését nomrál hőmérsékleten az Eurocode 5-1-1 [1] szabvány (Faszerkezetek tervezése. Általános szabályok) tárgyalja. A fa szilárdságát az Eurocode 5 a következő paraméteres formátumban adja meg:
A táblázati érték a karakterisztikus érték, az 5%-os kvantilis biztonsági szintjének felel meg. A fanyag szilárdsági osztályát annak hajlító-húzó-
szilárdságával jellemezzük, pl. a C24-es fűrészelt fenyő karakterisztikus hajlítószilárdsága fm,k = 24 N/mm2 . A hibamentes faanyag rostirányú szilárdsági értékei közül általában a húzószilárdság a legnagyobb, a valós – azaz hibákat, pl. göcsöket tartalmazó - fa 5% kvantilisét tekintve a húzószilárdság mégis a kisebb érték, ezt követi a nyomó- és a hajlítószilárdság. A rostra merőleges nyomószilárdság az előbbi szilárdsági jellemzőknél nagyságrendileg kisebb, a rostra merőleges húzószilárdság pedig szinte elhanyagolható. A tervezési érték (design value) - az Eurocode biztonsági szintjének megfelelően – a mintegy 1‰-es kvantilis. Az Eurocode 5 szerint a szilárdásg tervezési értéke a következőképpen számítható:
f t , 0,d = ahol kmod
γM
k mod
γM
f t ,o ,k
a környezet és a teher időtartamát jellemző módosító tényező, az 5%-os és a kb. 1‰-es kvantilis közti hányados.
5.3 A fa hőtani és égési jellemzői Tűzhatás alatt a faanyag magasabb hőmérsékleten jelentős kémiai átalakuláson megy át (5. 2 ábra). A faanyag égése kevert kémiai folyamat, ami hőbomlással és a parázzsal égéssel egyaránt megmutatkozik. A hőbomlás (pirolízis) során éghető gázok fejlődnek, melyek a fa felületéhez közel kaphatnak lángra - ez a látható láng - míg a parázslás felületi izzást jelent. A faanyag nedvességtartalma 100ºC-ig eltávozik. Fafajtól függően a 100200ºC közti tartományban lassú felületi elszenesedés figyelhető meg. Ezen réteg (kéreg) alatt megkezdődik a termikus bomlás is, amikor gyúlékony gázok távoznak a fából. A fa lobbanáspontja a 200-250ºC közé tehető, ekkor a felszabadult éghető gázok külső gyújtóhatásra a fa felületéhez közel egy pillanatra lángra lobbannak. Az eltávozott gázok folytonos égése a 250-300ºC tartományában várható, ekkor a hőbomlással távozott és gyújtóforrással aktivált gázok folyamatosan égnek, továbbá a felület parázzsal égése is látható. Mintegy 330ºC-ra tehető a fa öngyulladása, amikor a hőbomlással távozott gázok külön gyújtóhatás nélkül, csak a hőmérsékletük okán meggyulladnak és folyamatosan égnek. 600-700ºC környékén a fafelület már csak parázzsal ég, ennek égés-terméke, a faszén látható izzás közben a tűzben.
A elszenedesedett külső réteg – a faszén – hőszigetelő képességét több mérnöki összefoglaló is túlbecsüli. Mindenki tapasztalta tábortűznél a faszén felületének kockás felhasadását. A felületi szén hasadásai, repedései alatt található a hőbomlás zónája (pirolízis), mely a repedéseken keresztül elég helyet kap az éghető gázok távozásához és a faanyag további hőbomlásához . A faszén réteg vastagsága pedig durván állandó, 1-2 cm körüli értéket vesz fel, az ennél vastagabb rész egyszerűen leesik, ezért nem működik vastag hőszigetelő burokként. A külső szénréteg a beégést így gyakorlatilag csak „kontrollálja”. A kísérletek alapján az elszenesedés ill. a hőbomlási zóna – eredeti felszínhez képesti – mélysége (charring depth) közelítőleg lineáris összefüggéssel írható le:
d char = β ⋅ t ahol
β t
az elszenesedési (korábbi beégési) sebesség [mm/min] – ben, pedig a tűzhatás ideje [min].
5.2. ábra: A fa felületének égése tűzhatás során (Schaffer [2])
A faszerkezetek tűzvédelmi tervezését az Eurocode 5-1-2 [3] szabványfejezet (Faszerkezetek tervezése. Tervezés tűzhatásra) tárgyalja. A szabvány a faanyag klasszikus hőtani jellemzőit részletesen ismerteti, de előtte ejtsünk szót röviden a faanyag két másik igen fontos tulajdonságáról: - a fa hőtágulása a tűzhatás idején – zsugorodása miatt - nagyságrendileg kisebb az acél-szerkezetekénél, ezért azt gyakran elhanyagoljuk, - a faanyag éghető volta miatt növeli a számított állandó tűzterhelést, ami a tűzvédelmi szaktervező munkájához fontos adat. A faanyag hőtani jellemzőit – testsűrűség, hővezetési tényező és fajhő – a kémiai átalakulás miatt nehéz folytonos hőmérsékleti tartományban kísérletileg meghatározni. Az Eurocode 5-1-2 erre mégis kísérletet tesz erre, és magas hőmérsékletekre a következő diagramokat adja meg.
A hőmérséklet emelkedésének hatásra a fa testsűrűsége jelentősen csökken (5.3. ábra). Közvetlenül a hőbomlási front fölötti elszenesedett réteg (300°C) testsűrűsége a 20°C-on mért testsűrűségének csupán 60-70 %-a. A diagramm kezdeti magasabb (112%) relatív értéke arra utal, hogy a relatív testsűrűséget (d ratio) - a tűzben amúgy jól megközelíthető - az abszolút száraz állapothoz viszonyították.
5.3. ábra: A faanyag relatív testsűrűsége magasabb hőmérsékleten d ratio = ρ Θ
ρ 0%
[3]
A hővezetési tényezőt a szabvány még az elszenesedett zónára is definiálja. Ezek az adatok alapvetően idealizált értékek, nem kísérletileg meghatározott fizikai paraméterek (5.4. ábra). A diagramm szerint a hővezetési tényező a kémiailag elszenesedett zónában (Θ > 300°C) a 20°C-os állapothoz képest jelentősen megnő. Az elméleti megfontolások szerint a külső szénréteg repedéseiben távozó éghető gázok egyben az intenzív hőcseréhez is hozzájárulnak - hőátadással és sugárzással - ami a „helyettesítő” hővezetési tényező növekedésében mutatkozik meg.
5.4. ábra: A faanyag hővezetési tényezője magasabb hőmérsékleten [3]
A fajhő esetén 100°C körül egy csúcsot figyelhetünk meg, amelynek figyelembe vételét a fa nedvességtartalmának változása indokolja.
5.5. ábra: A faanyag fajhője magasabb hőmérsékleten [3]
5.4 Az elszenesedett réteg vastagsága Az elszenesedett réteg vastagságába a hőbomlási zónát is beleértjük, így valójában az ép keresztmetszeten kívüli részt határozzuk meg. Az elszenesedett réteg vastagságát – és ezzel az elszenesedési sebességet – kísérleti úton mérték meg, a tűzkísérlet után a szénréteg eltávolításával. Az Eurocode 5-1-2 – a hőbomlási zóna hőmérsékletéhez igazodva - névleg a 300°C-os izotermát szabja meg elszenesedési mélységnek, de változó helyű hőbomlási front miatt ez az izoterma nehezen mérhető. Az elszenesedési sebesség – számos más paraméter mellett – legfőképp a fafajtól, a faanyag tömöttségétől valamint a keresztmetszet geometriai viszonyaitól függ. Sík felületen egyoldali (egydimenziós) tűzhatásakor – pl. élpalló táblák, rétegelt deszkalemez, OSB – az elszenesedési mélység és az elszenesedési sebesség jól mérhető és definiálható (5.6. ábra).
d char , 0 = β 0 ⋅ t dchar,0
β0
t
az elszenesedett réteg vastagsága az elszenesedési (beégési) sebesség sík felületen, standard tűzhatás a tűzhatás időtartama
5.6. ábra: Az elszenesedett réteg vastagsága (dchar,0) egyoldali (egydimenziós) tűzhatás esetén [3]
Az elszenesedési sebességek faanyagokra az EC 5-1-2 alapján az alábbiak: Faanyag a) fenyő és bükk 3 RR-fa (GL), ρk ≥ 290 kg/m
β 0 [mm/min]
β n [mm/min]
0,65
0,70
fűrészelt fa, ρk ≥ 290 kg/m b) lombos fa 3 fűrészelt fa vagy RR-fa (GL), ρk ≥ 290 kg/m
0,65
0,80
0,65
0,70
3
0,50
0,55
0,65
0,70
0,9 1,0 0,9
-
3
fűrészelt fa vagy RR-fa (GL), ρk ≥ 450 kg/m c) ragasztott furnérfa (LVL) 3 fűrészelt fa vagy RR-fa, ρk ≥ 290 kg/m 3
d) fa építőlemez , ρk ≥ 450 kg/m és d ≥ 20 mm tömör falemez rétegelt lemez egyéb faanyagú lemezek
5.1. táblázat: sík felület és rúdszerkezetek elszenesedési (beégési) sebessége, β0 és βn [3]
Több oldalról működő tűzhatás esetén – mely jellemzően rúdszerkezeteket ér – a sík felületekhez képest a metsződési élek környezetében többdimenziós hőáram és fokozott elszenesedés figyelhető meg. Ez a jelenség pl. az elszenesedési front lekerekítésével vehető figyelembe, ami a korábbi ENV-előszabvány [5] alapján még alkalmazható volt de a mérnöki számításokat a gyakorlatban feleslegesen bonyolítaná. Másik lehetőség egy helyettesítő, azaz a keresztmetszet határoló síkjaival párhuzamos, névleges elszenesedési front felvétele, és az elszenesedési mélység (dchar,n) ill. sebesség (βn) ekképp történő megállapítása.
d char ,n = β n ⋅ t dchar,n
βn
t
elszenesedett réteg névleges vastagsága többdimenziós tűzhatásnál névleges elszenesedési (beégési) sebesség rúdszerkezetnél standard tűzhatás esetén tűzhatás időtartama
5.7. ábra: Elszenesedési front és a helyettesítő elszenesedési mélység (dchar,n) rúdszerkezeteknél [3]
Fűrészelt fa gerendák vagy oszlopok beégési sebessége (βn) nagyobb száradási hasadások miatt nagyobb egy azonos keresztmetszetű RR-fához képest, (5. 1. táblázat).
5.5 A faanyag jellemzői a tűzhatás során Magas hőmérsékleten a fa anyagjellemzői romlanak, az anyag 20ºC-hoz képesti szilárdsága és rugalmassági modulusa csökken. A 300ºC-os normatív hőbomlási hőmérséklet fölött a faanyag - pontosabban a faszén – szilárdsága értelemszerűen fθ = 0.
5.8. ábra: A faanyag relatív szilárdsága magas hőmérsékleten k Θ =
fΘ f 200 C
[3]
5.9. ábra: A faanyag relatív rugalmassági modulusa magas hőmérsékleten
kΘ =
fΘ f 200 C
[3]
Az el nem égett faanyagban magasabb – 60-80ºC-ot meghaladó - Az el nem égett faanyagban 60-80ºC-ot meghaladó hőmérséklet azonban csak a hőbomlási zóna alatti 4-8 mm-es sávban, tehát az ép keresztmetszet peremén fordul elő. A maradó keresztmetszet további részeinek szilárdsága nem kisebb a 20ºC-on mért szilárdságnál. A hőbomlási front alatti átmeneti a zónát az EC 5 a k0×d0 = 7 mm-es vastagsággal veszi figyelembe. 20 percnél rövidebb tűzhatás esetén az átmeneti zóna vastagsága csökkenthető. Rendkívüli tervezési helyzetben - ilyen a tűzhatás is - az Eurocode a korábbi Magyar Szabvány koncepciójához hasonlóan csökkentett biztonsági szintet követel meg. Faanyag esetén az Eurocode 5-1-2 a szilárdság 20%-os kvantilisére való tervezést engedi meg. A 20%-os kvantilis (f20) és a 5%-os kvantilis (fk : karakterisztikus érték) hányadosát a kfi tényező mutatja meg, melynek értékei különböző faanyagokra az alábbiak szerint vehetők figyelembe (5.2. táblázat): Faanyag fűrészelt fa - fenyő és lombos fa RR-fa (GL) faalapú építőlemezek ragasztott furnérfa (LVL)
kfi = f20/fk 1,25 1,15 1,15 1,1
5.2. táblázat: a 20%-os és az 5%-os kvantilis arány – kfi [3]
Az EC 5-1-2 a nem főirányhoz tartozó szilárdsági értékek tűzhatás közbeni változására nem ad értéket. Szakirodalmi adatok szerint az erő-rostok által bezárt 00 < α < 900 köztes tartományban a tűzbeli szilárdság értéke (fk) akár 20%-kal is csökkenhet. Ezért a tűzhatásra történő ellenőrzésnél javasolt általános szögek esetén a 0,8 × fα,k szilárdsági értékből kiindulni. Ez a probléma a gyakoratban ácskötések igazolásánál fordulhat elő. A fa szilárdságának anyagoldali biztonság tényezője rendkívüli teherkombinációban - a többi szerkezeti anyaghoz hasonlóan - γM,fi = 1,0. A fa keresztmetszet teherbírásának számítására az Eurocode 5-1-2 három módszert kínál. 5.5.1 „Csökkentett keresztmetszet” módszere
Egyszerű tervezési módszer, a mérnöki gyakorlat túlnyomó többségében ezt használjuk, és a Nemzeti Melléklet [5] is ennek alkalmazását javasolja, nem kötelező jelleggel (5.10. ábra). A geometriától függően egy- vagy többoldali elszenesedett külső kéreget nem vesszük figyelembe, és a hőbomlási front alatti átmeneti, névlegesen k0×d0 = 7 mm vastag zóna szilárdságát is nullának tekintjük. Az ép fakeresztmetszet ezen belüli, alacsony hőmérsékletű részét (ideális keresztmetszet) pedig a 20ºC-os szilárdsági értékkel vesszük figyelembe.
5.10. ábra: „Csökkentett keresztmetszet” módszere – az ideális keresztmetszet [3]
Az ideális keresztmetszet szilárdságának tervezési (fd,fi) értéke az alábbiak szerint számítható:
f d , fi = k fi
k mod, fi
γ M , fi
fk
ahol fk kfi γM,fi kmod,fi
a szilárdság karakterisztikus értéke (5%-os kvantilis) a 20%-os kvantilis aránya a karakterisztikus értékhez képest módosító tényező, értéke tűzhatásnál 1,0 anyagoldali biztonsági tényező, értéke tűzhatásnál 1,0
5.5.2 „Redukált anyagjellemzők” módszere
Munkaigényesebb, de az előzőnél pontosabb módszer (5.11. ábra). A mérnöki gyakorlatban jellemzően karcsú fakeresztmetszetek igazolására használjuk, mint pl. szeglemezes fatartók palló vastagságú elemeinél. Az elszenesedett külső kéreget nem vesszük figyelembe, a hőbomlási front alatti átmeneti kb. 7 mm vastag zónát azonban igen, vagyis a teljes maradó keresztmetszetet.
5.11. ábra: „Redukált anyagjellemzők” módszere – a maradó keresztmetszet [3]
Az átmeneti zóna a maradó keresztmetszet peremén, a várható legnagyobb normálfeszültségek helyén található, ezért a teljes maradó fakeresztmetszetet az átmeneti zóna magasabb hőmérsékletének megfelelő csökkentett (kmod,fi) szilárdsággal és merevségi jellemzőkkel vehető figyelembe. Az átmeneti zóna magasabb hőmérséklete mérnökileg nehezen megfogható fogalom, így annak hatását az indirekt a felmelegedésre jellemző kompaktsági mérőszámmal, az ép keresztmetszet kerület-területarányával (p/Ar) írták le.
f d , fi = k fi
k mod, fi
γ M , fi
fk
és
E05, fi = k fi
k mod, fi
γ M , fi
E05
ahol fd,fi fk E05,fi
a szilárdság tűzhatás során figyelembe vehető tervezési értéke a szilárdság karakterisztikus értéke (5%-os kvantilis) rugalmassági modulus tűzhatás során számítható tervezési értéke - stabilitásvizsgálathoz a rugalmassági modulus értéke (5%-os kvantilis) – stabilitásvizsgálathoz (pl. kihajlás) a 20%-os kvantilis aránya a karakterisztikus értékhez képest módosító tényező, értéke tűzhatásnál 1,0 – teherbírási és használati határállapotban egyaránt módosító tényező, értéke legalább 20 perces tűz esetén a következők szerint számítható
E05 kfi
γM,fi kmod,fi
- hajlítás:
k mod, fi = 1 −
1 p 200 Ar
k mod, fi = 1 − - nyomás: - húzás és rugalmassági modulus: ahol p Ar
k mod, fi = 1 −
1 p 125 Ar
1 p 330 Ar
az elszenesedett kéreg alatti maradó keresztmetszet kerülete (m) az elszenesedett kéreg alatti maradó keresztmetszet területe (m2)
T = 0-20 perc tűzhatás-időtartam intervallumának kmod,fi módosító tényezője a T = 0 perc időtartamhoz tartozó kmod,fi =1,0 és a T = 20 perc időtartamhoz tartozó, előbb számított kmod,fi tényező között lineáris interpoláció alkalmazható. 5.5.3 „Lekerekített sarkok” módszere
Rúdelemek esetén lehetséges az elvi modell szerint a „pontos” beégés számítása. Ekkor a rúdelem oldalának beégése (dchar,0) a felületszerkezetek egy-dimenziós elszenesedési sebességével (β0) számítható, de az ép keresztmetszet számításánál tekintettel kell lenni a sarkok intenzív elszenesedése miatti lekerekítésre is. A hőbomlási front alatt az átmeneti zóna figyelembe vétele miatt a faanyag szilárdsága a „redukált anyagjellemzők” módszerénél ismertetettek szerint, csökkentett kmod,fitényezővel számíandó. Ez a módszer csak egy adott rúdszélesség fölött használható, továbbá a lekerekítési sugár javasolt értéke sem szerepel a segédlet kiadáskor hatályos
szabványban, ezért használata csak utólagos igazolásként javasolható. Ennek nem ritka előfordulása miatt adatként megemlítjük, hogy a lekerekítési sugár az ENV előszabványban [5] az elszenesedési mélységgel (dchar,0) volt azonos. A számítási eljárás részletes ismertetése az előszabvány visszavonása után kikerült a hatályos Eurocode 5 1-2 fejezetből.
5.6 Elburkolt faszerkezetek A védelem nélküli faanyag elszenesedését (beégését) figyelembe vevő számítási eljárásokkal általában csak korlátozott tűzállósági határértékek igazolhatók (jellemzően 30, esetleg 60 perc). Nagyobb tűzállósági határértékek elérésének egyik lehetősége a faanyag tűzvédő építőlemezekkel pl. gipszkartonnal - történő elburkolása. E fejezetben a körbeburkolt fa rúdszerkezetek igazolását ismertetjük. A gipsz alapú tűzvédő burkolatoknak két fő hatásmechaniumusa van a tűzhatás idején, a hőszigetelő képességük és a saját anyaguk tűzállósága. A gipsz alapú építőlemezek hővezetési tényezője (λ) a fa hővezetési tényezőjével kb. azonos érték, anyagának viszonylag magas tűzállósági határértékét pedig a vegyileg kötött kristályvíz kb. 1500C-on történő dehidratációja során bekövetkező hőelvonása biztosítja. A tűzálló gipszkartonlemezek (GKF) belső gipszmagjába - az általános gipszkartonnal (GKB) szemben - gyártás során üvegszálakat kevernek. A GKF-lemezek ezért a karton elégése után is rendelkeznek húzószilárdsággal, ami további tűzállósági határérték-tartalékot biztosít. A hőszigetelő képesség fenntartása és a lángáttörés elkerülése érdekében az EC 5-1-2 a védő burkolatoknál max. 2 mm vastag fugát enged meg. Tűzhatás során a védő burkolat alatti faanyag hőmérséklete - ha korlátozottabb mértékben is - szintén nő. A burkolat alatt a fa a saját gyulladási hőmérséklete elérésének időpontjában (tch) önmagában is szenesedésnek indulhat illetve meggyulladhat, még a védő burkolat tönkremeneteli időpontja (tf) előtt. Gipsz alapú tűzvédő burkolatok tönkremeneteli időpontját az Eurocode 5-1-2 alacsony értékkel közelíti, és megengedi a két időpont azonosnak vételét (tch = tf). GKF-lemezeknél megengedett tf > tch figyelembe vétele is, de ehhez kísérleti igazolás szükséges. Általános gipszkarton (GKB), tűzálló gipszkarton (GKF) és gipszrost lemezes burkolatok alatt a fa elszenedsedésének kezdeti ideje az EC5-1-2 szerint tűzben (tch) a következő képlettel számítható: tch = 2,8 hp -14
ahol hp a védő burkolat helyettesítő vastagsága. Egy réteg gipsz alapú lemez esetén hp = h. Két réteg általános gipszkarton (GKB) alkalmazásakor a helyettesítő vastagságnál a belső réteg vastagsága 50%-kal vehető figyelembe: hp = 1,0 × hp,out + 0,5 × hp,in
Két réteg tűzálló gipszkarton (GKF) beépítésekor a helyettesítő vastagságnál a belső réteg vastagságának 80%-a vehető figyelembe: hp = 1,0 × hp,out + 0,8 × hp,in
Két réteg gipsz-alapú védőburkolat alkalmazása esetén mindkét réteget azonos sűrűségű kötőelemekkel (ált. gipszkartoncsavar) kell a szerkezeti fához rögzíteni. Azaz a belső rétegen áthaladó kötőelemek száma a külső réteg duplája. Tűzállósági kísérletekkel a gipszkarton védőburkolat tönkremenetelének számított értékhez képest nagyobb tűzállósági határértékek is igazolhatók. A faanyag még hosszabb tűzállóságát biztosító gipszkarton + üveggyapot hőszigetelés - mint anyagkombinácó - tűzállósági határértékének meghatározása kísérleti úton javasolt. A fa elszenesedésének (beégésének) kezdete egyszerűsítve a gipsz alapú védőburkolat számított tönkremeneteli idejével (tch = tf) vehető azonosnak. A fa meggyulladása előtti „előmelegítés” miatt nem csak egy külső pár mm-es sáv, hanem mintegy 20 - 25 mm vastag felületi zóna hőmérséklete is elérheti a kb. 200-2500C-ot a gipsz védőburkolat tönkremeneteléig. A beégés (elszenesedés) kezdeti sebessége ezért a védelem nélküli esethez képest jóval magasabb (12. ába, 2a egyenes), melyet az EC 5-1-2 egy k3 = 2,0-s szorzóval vesz figyelembe.
5.12. ábra: Elburkolt szerkezet faanyagának elszenesedési mélysége (charring depth) a tűzhatás idejének függvényében, ha tf = tch [3]
A dchar = 25 mm-es elszenesedési mélység elérése után a hőáram alakulása a faanyag belső keresztmetszetében a védelem nélküli esethez hasonló folyamatokkal jellemezhető (2b egyenes), ezért ezt követően a védelem nélküli eset (1 egyenes) elszenesedési sebességével (β) szabad számolni. Az így meghatározott maradó keresztmetszet az 5. fejezet bármelyik módszerével igazolható, de az elszenesedési sebességet és mélységet a választott módszerhez igazítva kell számítani.
5.7 Kapcsolatok viselkedése a tűzhatás során Faszerkezetek helyszíni toldása jellemzően acél kapcsolóelemekkel történik. Jelentősebb tűzvizsgálati tapasztalatokat európa-szerte a csap típusú kapcsolóelemek vizsgálatával nyertek, így ezen ismeretek kerültek be az EC5-1-2 szabványfejezetbe is. A legyakrabban előforduló, védelem nélküli csap típusú kapcsolóelemeknél két fő jelenség figyelhető meg tűzhatás során. Az acél kapcsolóelem jó hővezető képessége és kis tömege miatt gyorsan felhevül és kilágyul. Az acél jó hővezető képessége miatt az acélelemek fával érintkező palástfelülete is felhevül, ezzel csökkentve a fa beágyazási szilárdságát. Rendkívüli tervezési helyzetben az Eurocode 5 a kapcsolatokkal szemben is csökkentett biztonsági szintet követel meg. A teherbírás 20%-os (R20) és a 5%-os kvantilisének (Rk : karakterisztikus érték) hányadosa (kfi) a gyakoribb kapcsolatok esetén a következő:
Kapcsolat típusa nyírt kapcsolatok fa- vagy faalapú szélső elemekkel nyírt kapcsolatok külső oldali acéllemezekkel kihúzódásra igénybe vett kapcsolatok
kfi = R20/Rk 1,15 1,05 1,05
5.3. táblázat: Kapcsolati teherbírás 20%-os és az 5%-os kvantilisének aránya – kfi
A fölös számításokat elkerülendő, az EC5 a jellemzőbb, faelemeket összekötő kétszernyírt csap típusú kapcsolatra - néhány feltétel teljesülése esetén - minimális tűzállósági határértéket ad. Kapcsolóelem típusa Szeg Facsavar Átmenő csavar Acélrúd Fogas tárcsa / gyűrű
Min. tűzállósági határérték Td,fi [min] 15 15 15
Feltétel* d ≥ 2,8 mm d ≥ 3,5 mm t1 ≥ 45 mm
20
t1 ≥ 45 mm
15
t1 ≥ 45 mm
*ahol d a kapcsolóelem átmérője és t1 a szélső fa vastagsága
5.4. táblázat: Kétnyírású kapcsolatok minimális tűzállósági határértéke [3]
Szeglemezes kapcsolatok tűzállósági határértékét az EC 5-1-2 nem tárgyalja. Egy korábbi Országos Tűzvédelmi Szabályzat - az 1996-os OTSZ [7] - adatai alapján a szeglemezes kapcsolatok tűzállósági határértéke azok vékony acéllemezes kapcsolatai miatt TH = 0,8 × 0,25 h = 0,2 h = 12 min időtartammal közelíthető. Ez az EN 13501-1 [8] fogalmai alapján R10 tűzállósági határértéket jelent a mechanikai ellenállás szempontjából. Ha a 5.4. táblázatban felsorolt kapcsolatoktól nagyobb tűzállósági határértékeinél várunk el, az a következő módszerekkel igazolható. 5.7.1 „Csökkentett teherbírás” módszere
Az 5.4. táblázatban megadotthoz képest nagyobb elvárt tűzállósági határérték esetén az acélcsap anyaga lágyul és a fa beágyazási szilárdsága is jelentősen csökken. Az EC 5-1-2 alapján e jelenség a nyírt, fa-fa kapcsolat teherbírásának globális csökkentésével (η) vehető figyelembe. A kapcsolat „hideg” teher-
bírását az EC 5-1-1 alapján úgyis ki kell számítani, a módszer használata ezért a legtöbb esetben kézenfekvő.
FV , Rk , fi = k fi ⋅ η ⋅ FV , Rk
és
η =e
− k ⋅Td , fi
ahol FV,Rk,fi FV,Rk kfi η k Td,fi
a nyírt kapcsolat teherbírása tűzhatás idején (20%-os kvantilis) a nyírt kapcsolat teherbírása normál hőmérsékleten, karakterisztikus érték (5%-os kvantilis) az EC 5-1-1 szerinti Johannsen-féle egyenletek vagy kísérletek alapján számítva a 20%-os kvantilis aránya a karakterisztikus teherbíráshoz képest a hosszabb idejű tűzhatás miatti teherbírás-csökkentő tényező a kapcsolatra jellemző konstans (5. táblázat) a kapcsolat előírt tűzállósági határértéke percben, de legfeljebb az 5.5. táblázatban megadott érték
a módszerrel elérhető max. tűzállósági határérték Td,fi [min] Szeg és facsavar 0,08 20 Átmenő csavar d ≥ 12 mm, fa-fa kapcsolat 0,065 30 Átmenő csavar d ≥ 12 mm, fa-acél kapcsolat 0,085 30 Acérúd d ≥ 12 mm, fa-fa kapcsolat* 0,04 40 Acérúd d ≥ 12 mm, fa-acél kapcsolat* 0,085 30 Fogas tárcsa / gyűrű 0,065 30 *acélrudak esetén 4 acélrudanként legalább egy fűzőcsavar szükséges Kapcsolat típusa
k
5.5. táblázat: Kétnyírású kapcsolatok elérhető tűzállósági határértéke és k-kitevője [3]
A faelemek túlzott elszenesedésének elkerülésére a kétszer nyírt fa-fa kapcsolatok épségének feltétele a karcsúbb szélső fák minimális vastagsága (t1) : 50 mm ⎧ t1 ≥ max ⎨ ⎩50 + 1, 25 ⋅ (d − 12 ) mm
ahol t1 d
a kétszer nyírt fa-fa kapcsolat szélső fájának vastagsága, az acélrúd vagy csavar átmérője.
5.7.2 „Egyszerűsített” módszer
Ha a kapcsolat normál hőmérsékleten az EC5-1-1 alapján megfelel, a kapcsolat tűzállósági határértékét legfeljebb 30 percig kizárólag a kapcsolóelemek peremtávolságainak és a kapcsolt elemek méreteinek növelésével szabad javítani. Használata akkor egyszerűsítheti a mérnöki munkát, ha bonyolult geometriájú csomópontot kell ellenőrizni, és nem gazdaságtalan – általában az összes kapcsolt – faelem térfogatának növelése. A kapcsolat teherbírásának újbóli kiszámítása nélkül, tisztán a faelemek keresztmetszetének növelésével igazolható a tűzállóság. Az EC 5-1-1 szerinti „hideg” peremtávolságok és a keresztmetszeti méretek - a kapcsolati geometriára és a tűzhatás lehetséges irányaira jellemző, a minimális tűzállósági határérték (mind Td,fi) utáni - elszenesedési mélység-többlettel (afi) növelendők (5.13. ábra).
5.13. ábra: Kapcsolatok ellenőrzésének „egyszerűsített” módszere [3]
A faelemek peremének elszenesedési mélység-többlete (afi) a következő összefüggéssel határozható meg:
a fi = β n k flux (Treq − Td , fi )
általában
kflux = 1,5
ahol Treq Td,fi βn kflux
a kapcsolat szükséges tűzállósági határértéke, de max. 30 perc a kapcsolat 5.4. táblázat szerinti minimális tűzállósági határértéke az elszenesedési sebesség rúdelem és standard tűzterhelés esetén acél kapcsolóelem megnövekedett hőáramát jellemző együttható
Az így számított elszenesedési mélység-többlettel az alábbi faelem-méretek növelendők meg: - a szélső faelem vastagsága, - a szélső faelem magassága és - a kapcsolóemek peremtávolságai (a3 és a4) .
5.8 Fa és a kapcsolódó anyagok tűzvédelmi besorolása Az EU-Bizottság döntése [6] alapján a fűrészelt (természetes) fa, a rétegeltragasztott fa (RR-fa) és az OSB-lemez a „D” tűzvédelmi osztályba sorolható (korábbi közepesen éghető csoport). A ragasztott termékek esetén - a gyártóknak - ügyelni kell a ragasztóanyag megválasztásakor a ragasztó üvegesedési pontjára. A szabvány szerinti ragasztott-fa termékek esetében a leggyakrabban alkalmazott fenol-formaldehid és aminoplaszt ragasztók üvegesedési hőmérséklete kis mértékben a faanyag gyulladási hőmérséklete alá tehető. Az el nem égett faanyagban 150-250°C magas hőmérsékletek azonban csak az átmeneti zóna 3-5 mm vastag külső peremén fordulnak elő, ahol egy esetleges lokális delamináció a faanyag viselkedését és teherbírását érdemben nem befolyásolja. A faanyag égési tulajdonsága égéskésleltető festéssel javítható. Szerkezeti faelemeken alkalmazott égéskésleltető felületi bevonattal - a védő bevonati rendszer minősítésétől függően - C vagy B tűzvédelmi osztály érhető el, de eközben a tűzállósági határérték nem nő! Az acél kapcsolóelemek az A1 tűzvédelmi osztály anyagai, védelem nélkül csekély tűzállósági határértékkel. Tűzvédő festéssel az acélelemek 30 illetve 60 perces tűzállósága érhető el, de ehhez a tűzvédő festés alkalmazástechnikai útmutatójában előírt minimális acéllemez-vastagság betartása szükséges. Alumínium kapcsolóelemek szintén az A1 osztály elemei, de ezek tűzállósági határértéke - védelem nélkül - nem éri el a minimálisan előírható 10 percet sem. Az általános gipszkarton jellemzően a B tűzvédelmi osztályba tartozik, a tűzvédő gipszkarton és a gipszrost lemezek az A2 osztályba sorolhatók. A gipsz alapú termékek gyártmányként kezelendők, így esetenként jellemzőik
az előbbi irányelvektől eltérhetnek. Az alkalmazott gyártmány tűzvédelmi minősítését ezért mindig ellenőrizni kell. A továbbiakban a faszerkezetek tűzbeli állékonyságát előíró R-kritérium igazolását ismertetjük. Az E és I kirtérimok igazolása nem statikus tervezési feladat, azokat általában tűzállósági kísérletekkel tanúsítják.
5.9 Hivatkozások [1] MSZ EN 1995-1-1 (2009) Eurocode 5. Faszerkezetek tervezése. 1-1. rész: Általános szabályok. Közös és az épületekre vonatkozó szabályok [2] Schaffer, E.L. (1967) Charring rate of selected wood-transerve to grain. Research Paper FPL-69. USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, Wisconsin [3] MSZ EN 1995-1-2 (2005) Eurocode 5. Faszerkezetek tervezése. 1-2. rész: Általános szabályok. Tervezés tűzhatásra (2010-ben: angol nyelvű) [4] MSZ 21995-1 (2008) – előszabvány, az MSZ EN 1995-1-2 Nemzeti Melléklete. Eurocode 5. Faszerkezetek tervezése. 1-2. rész: Általános szabályok. Tervezés hatásra [5] MSZ ENV 1995-1-2 (2000) – visszavont előszabvány. Eurocode 5. Faszerkezetek tervezése. 1-2. rész: Általános szabályok. Tervezés tűzhatásra [6] EU-Bizottság 2003/593/EK határozata (2003. aug. 7.) az egyes építési termékek tűzzel szembeni viselkedés szerinti osztályainak megállapításáról szóló 2003/43/EK határozat módosításáról. [7] Országos Tűzvédelmi Szabályzat (1996) - korábbi, azóta többször módosított OTSZ, a 35/1996. (XII.29.) BM-rendelettel kiadva [8] MSZ EN 13501-1 (2007) Épületszerkezetek és építési termékek tűzvédelmi osztályba sorolása. 1. rész: Osztályba sorolás a tűzveszélyességi vizsgálatok eredményeinek felhasználásával [9] MSZ EN 1990 NB (2005) Nemzeti Melléklet az MSZ EN 1990 szabványhoz. Eurocode 0. A tartószerkezetek tervezésének alapjai
