Европейские нормативные документы по плоским кровлям
Катастрофические пожары, которые регулярно происходят в крупных зданиях во всем мире, способны за считанные минуты принести миллионный ущерб. Такие пожары убедительно демонстрируют необходимость постоянного совершенствования противопожарных мероприятий для кровельных конструкций. Часто борьба с огнем значительно осложняется из-за обусловленного конструктивными особенностями быстрого распространения огня по конструкциям или даже сверху кровли. Поиск подходящих решений по улучшению профилактических мер пожарной защиты предполагает детальное изучение процессов распространения огня на используемых кровлях.
Особенно важен недостаток научно обоснованных выводов о пожарной безопасности кровельных проемов. При финансовой поддержке известных немецких отраслевых промышленных и строительных объединений в Испытательном центре отдела по противопожарной защите Университета Карлсруэ (Германия) 15 лет назад была начата серия экспериментов, целью которых было обнаружение слабых, с точки зрения пожарной безопасности, мест в кровельных конструкциях и разработка мероприятий по их совершенствованию. Проведенные испытания позволили установить, что за счет конструктивных решений можно значительно улучшить превентивную пожарную защиту кровель из профилированного настила трапециевидного сечения.
Результаты данных исследований были использованы в работе над стандартом DIN 18 234. Этот нормативный документ, обновлявшийся до этого в 2003 г., содержит важные требования и указания по пожарной защите кровель большой площади. Новое издание стандарта опубликовано совсем недавно после комплексной переработки. После этого по DIN 18 234 допустимо только сооружение кровель, соответствующих директивам промышленного строительства. Конструктивные решения всех примыканий и других элементов кровли должны быть выполнены в соответствии с DIN 18 234, внедрение которого в практику рекомендуется в безотлагательном порядке.
Кровли из профилированного настила трапециевидного сечения и требования норматива DIN 18 234
Для покрытий промышленных и иных зданий больших площадей в последние годы из соображений экономичности активно используются так называемые легкие кровли, чаще всего укладываемые на профилированные стальные листы трапециевидного сечения. Сочетание сгораемых и несгораемых материалов в единой конструктивной системе, а также значительные размеры таких легких кровель представляют определенные риски в случае пожара, которые требуют особого внимания при проектировании и выполнении кровельных конструкций.
Опыты, проведенные с этими материалами, монтируемыми современными способами с учетом размеров конструктивных элементов в условиях пожара, привели к пониманию того, что только лишь оценка огнестойкости отдельных материалов или конструкций в соответствии с DIN 4102 на современном этапе недостаточна для комплексных выводов по рискам пожарной безопасности. Совместная работа различных использованных в конструкции кровли материалов и самих этих конструкций в условиях пожара может быть объективно оценена только после проведения системных испытаний всей кровли. Полностью переработанный стандарт DIN 18 234 определяет единые критерии оценки для системных испытаний и содержит требования к подходящим сочетаниям материалов и к конструкциям кровель.
Ограничение распространения огня
В соответствии с DIN 18 234 в условиях распространения огня изнутри здания кровли должны соответствовать требованиям по ограничению его распространения по поверхности кровли, а также сохранять свою несущую способность под воздействием огня и высокой температуры на протяжении не менее 20 мин. Пожар тем самым остается локализованным под кровельной конструкцией на предписанный нормативом период. Прибывшая своевременно пожарная бригада имеет в этом случае реальные шансы локализовать огонь внутри помещения и потушить его до начала разрушения кровли.
DIN 18 234 и DIN 4102
Различие между выдержавшей испытания по DIN 18 234 и классифицированной по DIN 4102 кровлей заключается, прежде всего, в разных условиях пожара и связанных с ними нагрузок. По DIN 4102 строительная конструкция испытывается по унифицированной кривой роста температуры при воздействии огня по всей поверхности, например на класс F30 (задерживающий распространение пламени). При этом конструкция находится под нагрузкой (например, снеговой). При испытаниях по DIN 18 234 воздействие огня ограничено по площади и по времени; при этом испытываются самонесущие конструкции без дополнительных нагрузок. Несмотря на это, проверенные по DIN 18 234 кровли показывают существенно лучшую пожароустойчивость по сравнению с применявшимися до настоящего времени и, как правило, не классифицировавшимися по другим стандартам кровлями большой площади.
Область применения DIN 18 234
В отличие от более раннего издания новая редакция DIN 18 234 применима не только для кровель в промышленном строительстве, но и для большого количества плоских и имеющих уклон до 20° кровель над помещениями больших размеров. Существовавшее ранее ограничение в применении только для однослойных кровель (теплых кровель) с гидроизоляционным покрытием было расширено и дополнено требованиями и типовыми решениями для многослойных кровель и для кровель больших площадей (более 2500 м2) с покрытиями.
Слабые места кровель с точки зрения пожарной безопасности
Наряду с противопожарными и техническими свойствами замкнутых кровельных поверхностей, которые оказывают положительное влияние на пожароустойчивость конструкций при условии соблюдения правил, описанных в DIN 18 234-1 и -2, важную роль играют различные детали кровли.
А. Кровельный свес
Необходимо избежать проникновения огня снаружи в помещение (например, в результате работы над устройством примыканий с помощью открытого пламени). В случае пожара горючие или даже горящие газы, проходящие через полости в профнастиле, ни в коем случае не должны попадать с кровельных свесов в конструкцию кровли или в помещение.
В. Стропила
Кровельная конструкция должна надежно фиксироваться с помощью элементов крепления (термостойкость > 1000 °С). При этом необходимо учитывать повышенные напряжения и деформации, возникающие в конструкциях при пожаре. Стропильные конструкции должны в случае пожара взять на себя функцию «дымовых зонтов», для чего примыкания к нижней стороне профилированных листов выполняются непроницаемыми для дыма.
С. Примыкания разделительных перегородок
Разделительные перегородки – доводимые до нижнего края профилированного листа или даже выше кровельного покрытия – выполняют функцию защиты от огня соседнего помещения, конструкции или поверхности кровли.
D. Выступающие элементы на поверхности кровли
Путем специальных мероприятий необходимо избегать проникновения огня снаружи и изнутри здания. Поскольку для узлов А–D имеется достаточное количество различных решений, в данной статье основное внимание будет уделено узлам Е.
Е. Световые купола, фонари, дымо- и теплоотводящее оборудование
Для устройства проемов в кровле на сегодняшний день используются преимущественно следующие материалы:
• Для светопрозрачных конструкций*: акриловое стекло (нормальновоспламеняющееся), поликарбонат (нормально- или трудновоспламеняющийся), ПВХ (трудновоспламеняющийся) или стирол-акрилнитрил (нормально- или трудновоспламеняющийся), полиэстер (нормально- или трудновоспламеняющийся).
• Для установочных венцов фонарей: ПВХ, теплоизоляционные «сэндвичи» на основе полиэстера, сталь, алюминий, дерево (используется для закрепления установочных венцов в кровельной конструкции).
При применении преимущественно сгораемых материалов светопрозрачные элементы кровли и их примыкания могут стать слабыми местами кровельной конструкции с точки зрения пожарной безопасности. Опасность представляет, например, прямое проникновение огня в кровельную конструкцию, в том числе через повышенное тепловое излучение в местах примыканий, а также непрямое попадание огня, например, через металлические уголки рамы из брусьев на установочный венец или на сам световой фонарь.
Испытания пожарной безопасности
В Испытательном центре был оборудован стенд площадью 83 м2. Поверхность кровли над пространством, где имитировался пожар, составляла около 55 м2. Несущая поверхность кровли, покрытая стальными профилированными листами трапециевидного сечения, была смонтирована с учетом максимальной деформации прогиба L/300. Световой фонарь располагался, как правило, непосредственно над местом огневых воздействий. Испытания проводились при отсутствии бокового ветра. Продолжительность испытания составляла около 20 мин. Известно, что при таких условиях уже после 5 мин пожара температура нижней стороны стального профилированного листа составляет около 900 °С.
Световые купола, фонари, проемы и окна в кровле несут функцию отведения дыма и тепла. Для кровель больших размеров зенитные фонари практически незаменимы и устанавливаются для обеспечения:
• инсоляции,
• естественной вентиляции,
• удаления дыма и теплового воздействия при пожаре.
Чтобы еще раз проверить и при необходимости улучшить пожароустойчивость этих строительных конструкций, в основу проводимых испытаний были положены следующие вопросы:
• Изменяется ли пожароустойчивость кровельной конструкции в зависимости от используемых световых фонарей?
• Удовлетворяют ли применяющиеся на настоящий момент материалы и системы устройства примыканий требованиям превентивной пожарной защиты?
• Можно ли улучшить конструкцию фонарей за счет применения альтернативных материалов или систем устройства примыканий?
Результаты испытаний
Снижение температурного воздействия
При предварительных испытаниях, проведенных над помещением площадью около 9 м2, со сравнимым температурным воздействием, а также испытаниях при значительном пожаре на описанном выше стенде произошло полное расплавление светового фонаря в течение 4 мин. Описанное случилось вне зависимости от классификации этих конструкций по DIN 4102 на классы В1 (трудновоспламеняемые) или В2 (нормально- воспламеняемые).
За счет нарушения поверхности кровли температура нижней стороны покрытия резко снижается с 900 до 600 °С, что можно расценивать как положительное явления с точки зрения уменьшения нагрузки на несущие конструкции. Нагрузка при пожаре существенно не возрастает за счет расплавления светопрозрачных элементов.
Распространение огня
В случае использования для световых фонарей термореактивных пластиков было установлено лишь небольшое снижение тепловой нагрузки.
Рамы их древесины – как незащищенные, так и облицованные стальными листами – возгораются и тлеют в некоторых местах еще несколько часов после окончания испытаний.
Установочные венцы из стальных листов или сэндвич- панели с полиуретановой теплоизоляцией сдерживают распространение пожара.
Оптимизация конструкций
Рамы из древесины
В случае использования рам из древесины всегда приходится считаться с высвобождением в пустоты между профилями горючих газов, а также с прогоранием стыков между деревянной рамой и теплоизоляционным материалом. Далее возникает опасность, что деревянные рамы будут продолжать тлеть после окончания пожара. Испытания, при которых предпринимались попытки защитить раму из древесины с помощью одно- или многослойных покрытий из стальных листов, также не показали удовлетворительных результатов.
Небольшое улучшение наблюдалось при облицовке деревянной рамы огнезащитными плитами, которые крепились снизу и по периметру проема. На практике это не очень эффективно, поскольку требуется очень точный монтаж плит, что, в свою очередь, требует значительных затрат времени и средств. Кроме того, несмотря на тщательное исполнение, часто это приводит к разрушению и растрескиванию хрупких огнезащитных плит вследствие деформаций кровельной конструкции во время пожара. В результате же разрушения огнезащиты рама из древесины снова подвергается прямому или косвенному воздействию огня. Таким образом, дополнительная защита с помощью огнеупорных плит эффективна только на начальных стадиях пожара, и ввиду значительных затрат на ее организацию не может рассматриваться как рациональное решение проблемы.
Встроенные в кровельную конструкцию деревянные рамы следует оценивать критически с точки зрения пожарной безопасности
Согласно DIN 18 234, при использовании рам из деревянного бруса в местах сквозных проемов необходимо снабжать их облицовкой из металлических листов, а также обеспечивать специальную теплоизоляцию минимальной толщиной 50 см. При этом гидроизоляционный слой кровли должен иметь защиту в виде гравийной засыпки толщиной 5 см, ширина полос засыпки вокруг проема – не менее 50 см.
Рамы из листовой стали
Для устройства экономически и технически оптимальной конструкции необходимо полностью отказаться от такого материала, как древесина. В качестве решения предлагаются рамы из листовой стали в форме швеллера в сочетании с одним слоем теплоизоляционного материала (например, из минерального волокна), в которые снаружи вставляется теплоизоляционный слой кровельной конструкции. Одновременно с этим профиль устанавливается так, чтобы при устройстве примыкания была обеспечена определенная высота гидроизоляционного слоя над плоскостью водоотведения.
Решающим фактором для пожароустойчивости такого варианта примыкания является абсолютно герметичная, динамически связанная по углам система обрамления, которая устойчива даже при высоких температурах и сильных деформационных нагрузках. С точки зрения строительной физики необходимо проследить, чтобы в случае непрямого контакта верхней поверхности металлического листа с холодным наружным воздухом не образовывались мостики холода, ведущие в помещения. В качестве материала применяются исключительно стальные листы, поскольку алюминий претерпевает пластические деформации, начиная уже с температуры 600 °С, расплавляется, и вся кровельная конструкция остается не защищенной от воздействия огня.
Установочные венцы
Во всех испытаниях пожарной безопасности установочные венцы из полиэстеровых сэндвич-конструкций со встроенной теплоизоляцией из полиуретана препятствовали проникновению огня в кровельную конструкцию. Хотя при прямом воздействии огня на внутреннюю сторону установочного венца сгораемые части ламинированной системы сгорали, каркас из стекловолокна сплавлялся с теплоизоляцией в единый устойчивый огнезащитный слой. Наружная оболочка установочного венца, таким образом, сохраняла целостность, что эффективно с точки зрения пожарной безопасности.
Наилучшим образом проявили себя во время испытаний те установочные венцы, которые вместо проблемной деревянной рамы имели в качестве основы усиленный теплоизолированный фланец. Поскольку такая деталь очень экономична и проста в установке, можно констатировать реальное совершенствование кровельного элемента.
Заведение рулонного кровельного материала снаружи установочного венца до его верхнего края, как показали испытания, негативно сказывается на пожарной безопасности конструкции. В этом случае прямо или за счет теплового излучения происходит переход огня на поверхность кровли. Целесообразным является применение возможно более высоких установочных венцов, при таком варианте достаточно завести рулонный материал на нижний фланец.
Альтернативами являются высокое наружное примыкание рулонного материала на верхнем крае, покрытое профилем высотой минимум 8 см, или укладка защищающего поверхность кровельного материала слоя минимальной шириной 50 см.
Установочные венцы из листовой стали проявляют себя хорошо с точки зрения пожарной безопасности. Испытывался однослойный оцинкованный установочный венец с теплоизоляцией, уложенной снаружи, и гидроизоляцией, выполненной из битумного рулонного материала. При пожаре устойчивость такой конструкции практически совпадает с параметрами установочных венцов из полиэстера с теплоизолированным фланцем.
По DIN 18 234 рамы из стального профиля, укладываемые между венцами световых фонарей и несущей конструкцией кровли, должны выполняться из стали толщиной не менее 2 мм и иметь вокруг в кровельной конструкции теплоизоляционный слой толщиной не менее 50 см, выполненный из нетермопластичного материала.
Отвод тепла
Чтобы исследовать эффект снижения температуры при расплавлении световых фонарей из термопластичных материалов в реальных условиях, в испытательную конструкцию на расстоянии 6 м от очага возгорания был установлен световой фонарь. Несмотря на то, что он подвергался незначительной тепловой нагрузке, уже при температуре около 300 °С произошло расплавление материала. На практике такие конструкции могут выполнять функцию отвода тепла, даже если они находятся на большом расстоянии от источника возгорания. Снижения температурной нагрузки в месте непосредственного воздействия огня на нижние слои кровельной конструкции при этом испытании, как и следовало ожидать, зафиксировано не было.
Независимо от площади расплавляющихся теплоотводов, необходимо, согласно DIN 18 232, оставлять возможность открытия системы отвода тепла и дыма при температуре +70 °С автоматически по сигналу датчиков дыма спускового элемента или вручную с помощью дистанционного управления. Наряду с системами отвода дыма особенно требуются дополнительные площади по отводу тепла при пожаре, в ряде случаев они могут способствовать снижению затрат на устройство противопожарных конструкций. Расплавление таких систем отведения тепла может определяться испытаниями по DIN 18 232-4 и оцениваться с точки зрения пожарной безопасности утвержденным способом (проект DIN 18 232-10).
Чтобы избежать дальнейшего распространения пламени или горючих газов по полостям кровельной конструкции, требуется установка в них разделителей. При располагающихся под кровлей помещениях целесообразно герметизировать полости в конструкции кровли по краям (в местах примыканий и свесов) и предусмотреть отвод газов через открытые световые фонари. Над перегородками также необходимы разделители. Они должны располагаться с обеих сторон перегородки при наличии над ней неразрезных балок и на поперечных стыках.
По DIN 18 234 разделители необходимо устраивать минимальной толщиной 12 см из несгораемых нетермопластичных изоляционных материалов. Такие разделители устанавливаются, например, на открытых торцах трапециевидных пустот в конструкции из стальных профилей или при наличии сквозных полостей над важными с точки зрения пожарной безопасности стенами или поверхностями.
Влияние бокового ветра
Все испытания проводились без учета влияния бокового ветра На практике, однако, от скорости ветра зависят нагрузки на кровельную поверхность при пожаре. Поэтому на поверхности кровли должны применяться материалы, устойчивые к распространению огня ветром и к тепловому излучению.
Проемы по DIN 18 234
В частях 3 и 4 стандарта DIN 18 234 приведены многочисленные указания и пожаротехнические требования по организации проемов, а также примыканий и свесов на кровле. Так, теплоизоляция должна выполняться из несгораемых материалов, из жесткого фенольного пенопласта или из минеральной ваты и иметь минимальную ширину вокруг проема 12 см. Имеющиеся пустоты и полости, образующиеся в конструкции при использовании профилированных плоских покрытий и граничащие с проемами, должны быть закрыты несгораемыми фасонными элементами.
Вокруг небольших проемов (размером до 0,3 х 0,3 м; например — водостоки, кабельные вводы) на кровлях из профилированных листовых материалов теплоизоляция должна закрывать минимальную площадь 1х1 м и обладать описанными выше свойствами. Для проемов среднего (до 3 х 3 м; световые фонари, тепло- и дымоотводы) и большого размера (свыше 3 м; ленточные световые фонари) вокруг них требуется установка теплоизоляции соответствующего качества минимальной шириной 50 см. Если через проем проходят элементы, проявляющие в случае пожара термопластические свойства, необходимо предпринимать дополнительные меры: например, встраивать самозакрывающийся огнезащитный клапан или разделитель труб.
Выводы
Фонари верхнего света
Несмотря на то, что применяемые в настоящее время материалы классифицируются как сгораемые, во время проведенных испытаний они не проявили никаких недостатков. Принципиального различия между нормально- и трудновоспламеняемыми элементами световых фонарей установлено не было. Термореактивные пластики сохраняют кровельные проемы закрытыми на протяжении длительного времени, в то время как термопластичные материалы расплавляются довольно быстро.
Установочные венцы
Установочные венцы из термореактивных пластиков, например, полиэстеровые сэндвич-конструкции с полиуретановой теплоизоляцией и встроенным теплоизолирующим фланцем, проявили себя при испытаниях пожароустойчивости так же хорошо, как установочные венцы из стальных листов. Установочные венцы из алюминия и его сплавов или из термопластичных материалов вследствие недостаточной теплостойкости лишь условно пригодны для устройства световых фонарей и требуют принятия дополнительных мер пожарной безопасности.
Рамы из деревянного бруса
От использования рам из деревянного бруса следует отказаться. В качестве экономичных альтернативных вариантов можно рассматривать установочные венцы из оцинкованных стальных листов, а также из полиэстера со встроенным теплоизолированным фланцем.
Примыкания рулонных кровельных материалов
Гидроизоляционное покрытие не должно заводиться высоко на установочный венец, а примыкать к нему на уровне нижнего фланца. Полоса защиты покрытия шириной около 1 м из подходящих несгораемых материалов препятствует переходу огня на кровельную поверхность.
Отвод тепла
Применение расплавляемых термопластичных световых фонарей способствуют быстрому и эффективному снятию температурной нагрузки на конструкции здания даже в том случае, если источник огня находится довольно далеко от них.
DIN 18 234
Путем учета требований DIN 18 234 значительно повышается пожарная безопасность и общий уровень безопасности кровель большой площади, даже если они не классифицируются в DIN 4102 по пределу огнестойкости. Пожары локализуются, и пожарные службы имеют больше времени на их тушение. Возникающие при применении рекомендаций DIN 18 234 затраты на материалы и дополнительные виды работ, как правило, могут быть снижены или полностью компенсированы за счет разумного выбора материалов.
Дитер Брайн, дипл.-инженер руководитель исследовательского отдела по противопожарной защите в Университете Карлсруэ; председатель коллектива разработчиков DIN 18 234
Статья подготовлена по материалам Отраслевого объединения поставщиков систем дневного освещения и дымоудаления (Fachverband Tageslicht und Rauchschutz e.V. — FVLR), Германия.
РЕЦЕНЗИЯ на статью «Повышение пожарной безопасности конструкций зенитных фонарей в соответствии с нормативом DIN 18 234»
Ведущий научный сотрудник ФГУ ВНИИПО МЧС России, канд. техн. наук. А.В. Павловский
Опубликованные в статье материалы по повышению пожарной безопасности конструкций зенитных фонарей в соответствии с DIN 18 234 образцов конструкций покрытий зданий с несущим основанием из профилированных стальных листов представляют собой определенный интерес.
В данной статье рассматривается частный случай по определению пожаростойкости конструкций элементов заполнений проемов в покрытиях: световых куполов и зенитных фонарей, выполненных из полимерного материала полиэстер с установочными венцами из различных материалов.
Несмотря на правильный с практической точки зрения подход к решению поставленной проблемы, с некоторой некорректностью процедуры проведения испытаний и с отдельными положениями и заключениями, изложенными автором в статье, можно не согласиться.
Так, например, автор утверждает, что при учете требований DIN 18 234 «значительно повышается пожарная безопасность и общий уровень безопасности кровель большой площади…». Интересно бы знать, каким образом это осуществляется на практике? В России, например, в соответствии с требованиями приложения 8 СНиП II-26-76 «Кровли», кровли покрытий, в зависимости от группы горючести, применяемых в них материалов, группы распространения пламени по поверхности, а также их площади, защищаются слоем гравия и делятся на участки противопожарными поясами. Исходя из кратких условий проведения испытаний (воздействие локального источника огневого воздействия на площадь покрытия, защищаемую зенитным фонарем; ограниченное время испытаний), справедливо заметить, что по данному методу можно определить только стойкость к огневому воздействию конструкций зенитных фонарей (световых куполов) и узлов их примыкания, но не пожарную опасность покрытий зданий.
В целом поставленная автором проблема по повышению пожарной безопасности конструкций зенитных фонарей актуальная и имеет важное практическое значение.