Bezpieczeństwo pożarowe budynków Dział VI Bezpieczeństwo

Bezpieczeństwo pożarowe budynków
Aktem prawnym o podstawowym znaczeniu w tym obszarze jest:
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie
warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie
(Dz.U. z 2002 r. Nr 75 poz. 690, z późn. zmianami) „Warunki Techniczne”
Dział VI
Bezpieczeństwo pożarowe
Rozdział 5
Wymagania przeciwpożarowe dla elementów wykończenia wnętrz
i wyposażenia stałego
Terminy dotyczące palności materiałów, stosowane w Rozporządzeniu:
(materiały)
Niepalne
Palne
- niezapalne
- trudno zapalne
- łatwo zapalne
w budynkach/pomieszczeniach ZL I, ZL II, ZL III i ZL V przepisy
przeciwpożarowe stawiają określone wymagania odnośnie
właściwości palnych stosowanych materiałów wyposażenia i wystroju
wnętrz.
właściciel, użytkownik budynku/pomieszczenia musi zapewnić jego
wyposażenie w materiały o określonych właściwościach palnych
ocena (klasyfikacja ogniowa, klasyfikacja pożarowa) materiałów
dokonywana jest na podstawie wyników badań prowadzonych
zgodnie z normami przywołanymi w przepisach przeciwpożarowych.
(Załącznik nr 1 do Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia
2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać
budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75 poz. 690, z późn. zmianami)
1
Najważniejsze elementy metodyki badania palności:
skala testu (mała, średnia, duża, naturalna)
usytuowanie próbki (pionowe, poziome lub ukośnie; próbka
zawieszona swobodnie lub oparta na podłożu)
źródło zapalenia/zapłonu (płomień palnika gazowego, żarzący się
papieros, paląca się zapałka, płonąca gazeta)
warunki otoczenia (promieniowanie IR, prędkość przepływu
powietrza, wilgotność i temperatura powietrza)
Rozwój metod badania palności w drugiej połowie XX w.:
- wprowadzanie do powszechnego stosowania nowych tworzyw
sztucznych stwarzało konieczność określania ich parametrów
pożarowych,
- odmienność warunków użytkowania poszczególnych produktów
wymaga zróżnicowania metodyki badawczej, która możliwie
dokładnie powinna odzwierciedlać występujące w rzeczywistości
zagrożenia pożarowe
- rozwój metod badawczych, bez bliższej koordynacji i współpracy
międzynarodowej, doprowadził do powstania w świecie olbrzymiej
liczby norm krajowych (DIN, NF, BS, PN) dotyczących badania
palności różnych wyrobów
2
Działania „porządkujące” podjęte przez Międzynarodową
Organizację Normalizacyjną (ISO) i Europejski Komitet
Normalizacji (CEN) w latach 1980-2000:
- wprowadzanie do katalogu norm ISO najlepszych metod badawczych
opisanych w normach krajów należących do tej organizacji,
- opracowywanie nowych norm – wykorzystujących nowoczesne
techniki pomiarowe i analityczne – które przejmowane są przez
kraje należące do ISO
- od momentu, gdy Polska stała się członkiem CEN, wszystkie nowe
normy EN, po okresie pół roku, wprowadzane są do katalogu norm PN.
- w każdej normie PN-EN….. widnieje zapis: Zgodnie z Przepisami
Wewnętrznymi CEN/CENELEC członkowie CEN są zobowiązani do
nadania normie europejskiej statusu normy krajowej bez wprowadzania
jakichkolwiek zmian )
Właściwości palne (pożarowe) materiałów i wyrobów
charakteryzowane są przez następujące parametry:
zapalność – najkrótszy czas działania płomienia zapalającego na
próbkę, po którym następuje jej zapalenie w określonych warunkach
badania
rozprzestrzenianie płomienia – prędkość propagacji płomienia
na badanej próbce materiału po jej zapaleniu
wydzielanie ciepła – ilość energii cieplnej wytwarzanej podczas
spalania próbki materiału w jednostce czasu w określonych warunkach
badania
wydzielanie dymu – badana jest gęstość optyczna dymu
wydzielającego się podczas spalania próbki materiału
wydzielanie toksycznych produktów rozkładu termicznego
i spalania – badane jest stężenie toksycznych gazów, m.in. CO, NOx,
HCl, HCN, SO2, powstających podczas pirolizy i spalania próbki
3
zapalność – jest ważnym parametrem decydującym o zainicjowaniu
procesu spalania materiału
ze względów bezpieczeństwa pożarowego istotny jest czas, po jakim
następuje zapalenie wyrobów stosowanych do wyposażenia i wystroju
wnętrz budynków (wykonanych z materiałów palnych),
łatwemu zapaleniu sprzyja umieszczenie wyrobu w pozycji pionowej,
oddziaływanie płomienia zapalającego na jego dolny brzeg oraz mała
grubość wyrobu.
bardzo cienkie wyroby (np. folie polimerowe) wykonane z materiałów
palnych, mogą dawać pozytywne wyniki testów (nie ulegać zapaleniu).
Jednak w innych warunkach niż przyjęte w zastosowanej metodyce
badawczej wyroby te mogą zapalać się w krótkim czasie.
zapalność niektórych wyrobów (np. materiałów obiciowych,
stosowanych do produkcji mebli tapicerowanych) badana jest w układach
(pakietach) odpowiadających rzeczywistemu ich stosowaniu.
Prędkość rozprzestrzeniania płomienia – parametr odgrywający
decydującą rolę w pierwszej fazie rozwoju pożaru, bezpośrednio po
zainicjowaniu spalania
wpływa decydująco na prędkość zwiększania zasięgu pożaru w
pomieszczeniu; szczególnie ważny w przypadku materiałów, z których
wykonane są plansze reklamowe, dekoracje, banery o dużych rozmiarach,
dużej prędkości rozprzestrzeniania płomienia sprzyja usytuowanie
wyrobu w pozycji pionowej oraz padające na ten wyrób promieniowanie
cieplne,
4
Szybkość wydzielanie ciepła – podstawowy parametr
charakterystyki pożarowej materiałów, który decyduje o przebiegu pożaru,
a w szczególności wpływa na:
szybkość rozwoju pożaru (a więc czas, po którym następuje
zjawisko flash over)
zagrożenie dla osób znajdujących się w pomieszczeniu, w którym
zaistniał pożar (już w pierwszej, przedrozgorzeniowej fazie)
Wysokie wartości szybkości wydzielanie ciepła wykazują:
- polipropylen (PP),
- polietylen (PE),
- polistyren (PS)
Wydzielanie dymu – cecha materiału istotnie wpływająca na warunki
prowadzenia akcji ratowniczej w pomieszczeniu oraz przebieg ewakuacji
ludzi
o intensywności powstawania dymu decydują – oprócz budowy
chemicznej palącego się materiału – temperatura i dostęp powietrza
do strefy spalania;
duża emisja sadzy następuje w warunkach niedoboru tlenu
w grupie materiałów polimerowych największą tendencję do
tworzenia dymu wykazują:
- poli(chlorek winylu) PVC,
- polistyren PS,
- kopolimer akrylonitrylowo-butadienowo-styrenowy ABS.
najmniejszą dymotwórczość w tej grupie materiałów wykazują:
- polipropylen PP,
- polietylen PE.
5
Toksyczne produkty rozkładu termicznego i spalania
stanowią największe zagrożenie dla ludzi znajdujących się w budynkach
objętych pożarem;
z opracowań statystycznych wynika, że 60–80% śmiertelnych ofiar
pożarów to osoby, których zgon nastąpił nie na skutek odniesionych
poparzeń, lecz w wyniku zatrucia.
rodzaj i ilość związków toksycznych zależy od budowy chemicznej
palącego się materiału, a także od temperatury i dostępu powietrza
do strefy spalania,
dużej emisji produktów toksycznych sprzyja niska temperatura spalania
i niedobór tlenu
(warunki takie występują często w pierwszej fazie rozwoju pożaru),
badania toksyczności produktów spalania:
- metody analityczne (chromatografia gazowa, spektroskopia IR),
- metody biologiczne (zwierzęta, najczęściej gryzonie, poddawane są
inhalacji gazami powstającymi podczas pirolizy i spalania materiału)
Wchłanianie substancji toksycznych do organizmu:
- drogą pokarmową,
- przez skórę,
- przez układ oddechowy (wchłanianie inhalacyjne)
Wskaźniki toksyczności ostrej substancji:
Dawka śmiertelna medialna, LD50, (median lethal dose) wyznaczona
doświadczalnie pojedyncza dawka substancji, która powoduje śmierć
50% zwierząt biorących udział w badaniu;
wyrażana jest stosunkiem masy substancji do masy zwierzęcia
doświadczalnego [mg/kg]
Stężenie śmiertelne medialne, LC50, (median lethal concentration)
wyznaczone doświadczalnie stężenie substancji w powietrzu, które
powoduje śmierć 50% zwierząt biorących udział w badaniu;
wyrażane jest jako masa substancji w jednostce objętości powietrza
[mg/l] lub [ppm]
6
Toksyczność gazów pożarowych, przykłady
Gaz
LC50, ppm
LC50, ppm
5 min
30 min
>150000
>150000
Amoniak NH3
20000
9000
Chlorowodór HCl
16000
3700
Tlenek węgla CO
-
3000
Bromowodór HBr
-
3000
Tlenek azotu NO
10000
2500
Siarkowodór H2S
-
2000
Fluorowodór HF
10000
2000
Dwutlenek azotu NO2
5000
500
Dwutlenek siarki SO2
500
-
Cyjanowodór HCN
280
135
Dwutlenek węgla CO2
Tlenek węgla, CO:
silnie trujący, bezbarwny, bezwonny gaz tworzący z powietrzem
mieszaniny wybuchowe, nieco lżejszy od powietrza,
powstaje w dużych ilościach podczas spalania węgla i różnych
substancji organicznych zawierających węgiel, szczególnie gdy występuje
niedobór tlenu, a spalanie zachodzi w niskiej temperaturze
wchłania się do organizmu z dróg oddechowych,
działanie toksyczne CO wynika z jego wiązania się z hemoglobiną:
Hb
+ CO →
HbCO
hemoglobina
karboksyhemoglobina
tlenek węgla wykazuje ponad 200 razy większe powinowactwo do
hemoglobiny niż tlen, co oznacza, że praktycznie zablokowane jest
tworzenie transportującej tlen oksyhemoglobiny (HbO2), co prowadzi do
niedotlenienia organizmu
NDS – 30 mg/m3; przy stężeniu 300 mg/m3, po 3-4 godz. następuje omdlenie
7
Cyjanowodór, HCN (kwas pruski):
bardzo toksyczna, bezbarwna ciecz (temp. wrzenia 26 ºC), o zapachu
gorzkich migdałów, pary HCN są nieco lżejsze od powietrza,
powstaje podczas spalania materiałów zawierających azot, takich jak:
PA, PU, PAN oraz naturalnych tworzyw białkowych
wchłania się przez skórę, płuca i z przewodu pokarmowego
działanie toksyczne HCN polega na blokowaniu układu enzymatycznego odpowiedzialnego za wykorzystywanie tlenu przez komórki;
następuje porażenie ośrodka oddechowego i czynności serca
Przypuszcza się, że przy jednoczesnym występowaniu CO i HCN
występuje s y n e r g i z m działania tych substancji
[efekt (A + B) > efekt A + efekt B];
„2 + 3 = 7”
NDS – 0,3 mg/m3; LD50 – 1 mg/kg,
przy stężeniu w powietrzu ok. 400 mg/m3 natychmiastowa śmierć
Chlorowodór, HCl:
bezbarwny, drażniący gaz powodujący poważne uszkodzenia skóry
oraz błon śluzowych dróg oddechowych
powstaje podczas spalania materiałów zawierających chlor, przede
wszystkim poli(chlorku winylu), PVC
wchłania się głównie z przez układ oddechowy
działanie toksyczne HCl polega na powodowaniu zmian zapalnych
i martwiczych dróg oddechowych powodujących obrzęk płuc
NDS – 5 mg/m3; stężenia w powietrzu ok. 100 mg/m3 są już na granicy
tolerancji organizmu
8
Tlenki azotu: NO, NO2 (NOx)
NO – bezbarwny, bezwonny gaz
NO2 – ciecz o ostrym zapachu (temp. wrz. 26 ºC) tworzy brunatne pary
NOx powstają w procesach spalania przebiegających w temperaturze
ponad 1400°C
stężenia NO2 w powietrzu w zakresie 6–7,5 mg/m3 po 5 min ekspozycji
powodują poważne zakłócenia w oddychaniu;
przy stężeniu ok. 350 mg/m3 zgon następuje po kilku minutach
działanie toksyczne NOx polega na wywoływaniu obrzęku płuc
z niewydolnością krążenia
NDS – 5 mg/m3
Dwutlenek siarki, SO2
SO2 – bezbarwny gaz o ostrym zapachu
SO2 powstaje w procesach spalania niektórych substancji organicznych
(np. keratyny – substancji białkowej będącej tworzywem wełny)
wchłania się przez drogi oddechowe
działanie toksyczne SO2 polega na silnym drażnieniu błon śluzowych
i powodowaniu skurczy oskrzeli;
przy stężeniu ok. 300 mg/m3 zgon następuje po kilku minutach
NDS – 2 mg/m3
9
Normy dotyczące badania zapalności:
(przykłady)
PN-EN ISO 6940:2005
Wyroby włókiennicze. Zachowanie się podczas palenia. Wyznaczanie zapalności
pionowo umieszczonych próbek.
PN-EN 1021-2:2007
Meble. Ocena zapalności mebli tapicerowanych. Część 2: Źródło zapłonu:
równoważnik płomienia zapałki.
PN-EN ISO 11925-2:2004
Badania reakcji na ogień. Zapalność materiałów poddawanych bezpośredniemu
działaniu płomienia. Część 2: Badanie przy działaniu pojedynczego płomienia
Normy dotyczące badania rozprzestrzeniania płomienia:
(przykłady)
PN-EN ISO 6941:2005
Wyroby włókiennicze. Zachowanie się podczas palenia. Pomiar właściwości
rozprzestrzeniania się płomienia na pionowo umieszczonych próbkach
PN-EN 1102:1999
Wyroby włókiennicze. Zachowanie podczas palenia. Zasłony i firanki.
Szczegółowa procedura wyznaczania rozprzestrzeniania się płomienia na pionowo
umieszczonych próbkach
PN-EN 13772:2004
Wyroby włókiennicze. Zachowanie się podczas palenia. Zasłony i firanki. Pomiar
rozprzestrzeniania płomienia na pionowo umieszczonych próbkach poddanych
działaniu dużego źródła zapłonu
PN-B-02854:1996/A1:1998
Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania rozprzestrzeniania płomieni
po posadzkach podłogowych
10
Toksyczne produkty rozkładu termicznego i spalania:
PN-B-02855:1988
Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania wydzielania toksycznych
produktów rozkładu i spalania materiałów
Dymotwórczość materiałów:
PN-B-02856:1989
Ochrona przeciwpożarowa budynków. Metoda badania właściwości
dymotwórczych materiałów
Metoda badania w s k a ź n i k a t l e n o w e g o
[LOI – Limiting Oxygen Index]
LOI =
[O2 ]
⋅ 100%
[O2 ] + [ N 2 ]
gdzie:
[O2] i [N2] – stężenie tlenu i azotu w atmosferze otaczającej testowaną próbę
wskaźnik tlenowy materiału to najmniejsze objętościowe stężenie
tlenu w mieszaninie tlenu i azotu, przy którym
podtrzymywane jest stacjonarne spalanie
płomieniowe próbki
Metoda LOI została znormalizowana w USA w 1970 r. (ASTM D 2863),
a następnie w wielu krajach na całym świecie, także w Polsce.
Została również przyjęta przez ISO: norma ISO 4589-2 ma obecnie status
normy PN-EN ISO 4589-2:2006
Od wielu lat jest najczęściej stosowanym w świecie testem
charakteryzującym palność materiałów polimerowych
11
wskaźnik tlenowy
to najmniejsze objętościowe stężenie tlenu w mieszaninie
tlenu i azotu, przy którym podtrzymywane jest stacjonarne
spalanie płomieniowe próbki
Klasyfikacja palności materiałów na podstawie wartości
wskaźnika tlenowego:
Jest to umowny, nieobowiązujący w przepisach ochrony przeciwpożarowej,
podział materiałów na klasy palności.
Ma jedynie znaczenie branżowe („środowiskowe”)
Zakres wartości LOI, %
Klasa palności materiału
poniżej 21
łatwopalny
21 – 28
palny
28 – 60
trudnopalny
powyżej 60
niepalny
ASTM D2863: Standard Test Method for Measuring the Minimum
Oxygen Concentration to Support Candle-Like Combustion of Plastics
(Oxygen Index)
12
Wartości wskaźnika tlenowego (LOI) wybranych materiałów
Tworzywo
LOI, %
Tworzywo
LOI, %
Polietylen (PE)
17 – 19
Polipropylen (PP)
17 – 20
Kompozyt: PP + włókna szklane
18 – 20
Poliester (PET)
21 – 22
Poliwęglan
26 – 28
Polistyren (PS)
17 – 18
Polistyren + antypiren
27 – 30
Pianka PU
19 – 21
Polisulfon
29 – 30
Poli(chlorek winylu)
40 – 44
Poliaramid (np. Kevlar, Nomex)
30 – 31
PVC + plastyfikatory
22 – 35
Bawełna FR (flame retardant)
28 – 30
Poli(metakrylan metylu)
17 – 18
Poliarylan (np. Vectran)
Poli(tlenek etylenu)
15 – 16
Drewno (sosna, buk)
22 – 24
Węgiel elektrodowy (grafit)
60 – 63
Bawełna
19 – 20
Politetrafluoroetylen (PTFE)
90 – 96
37
Zalety metody wskaźnika tlenowego:
możliwość badania materiałów polimerowych w różnych postaciach
(folii, profili i pianek) oraz wyrobów tekstylnych i papieru,
wyznaczany jest jeden wskaźnik liczbowy, co daje możliwość łatwego
porównywania palności różnych materiałów,
duża powtarzalność (ang. repeatability) i odtwarzalność
(ang. reproducibility) metody,
możliwość precyzyjnego określania efektywności działania środków
przeciwpalnych oraz skuteczności metod ich aplikacji w odniesieniu
do tworzyw sztucznych i wyrobów włókienniczych,
stosunkowo prosta budowa aparatu, łatwość wykonywania testów.
13
Określono kilka zależności empirycznych pomiędzy wartością
wskaźnika tlenowego i budową chemiczną oraz parametrami
fizycznymi polimerów:
LOI = 7,95· 105· Q-1
wzór Johnsona
gdzie:
Q – ciepło spalania polimeru, kJ/kg
Równanie Johnsona spełnia większość polimerów, w których stosunek liczby
atomów węgla do atomów tlenu w merze nie przekracza wartości 6 [C/O ≤ 6].
Van Krevelen określił zależność wartości LOI od parametru CP, będącego
funkcją budowy chemicznej polimeru
CP = H/C – 0,65 F/C – 1,1 Cl/C
LOI = 0,175;
dla CP > 1
LOI = 0,6 – 0,425CP;
dla CP ≤ 1
Ustalono, że dla dowolnego materiału, na postawie wartości wskaźnika
tlenowego wyznaczonego w temp. 25ºC (LOI25) można obliczyć wartości
wskaźnika tlenowego w temperaturze:
100 ºC,
LOI100 = 0,9 · LOI25,
200 ºC,
LOI200 = 0,7 · LOI25,
300 ºC,
LOI300 = 0,5 · LOI25,
14
Ograniczenia („słabe punkty”) metody
wskaźnika tlenowego:
metodyka nie odzwierciedla rzeczywistych warunków (sytuacji),
w jakich może nastąpić zapalenie materiału;
wyniki badania palności metodą wskaźnika tlenowego nie mogą być
podstawą klasyfikacji ogniowej elementów wyposażenia i wystroju
wnętrz budynków
Kalorymetr stożkowy (ang. cone calorimeter)
wielofunkcyjny, przyrząd do badania palności materiałów,
skonstruowany w 1982 r. w National Institute of Standards and
Technology (NIST).
próbka poddawana jest oddziaływaniu
prom. cieplnego (do 100 kW/m2), wytwarzanego przez promiennik o mocy 5000 W,
w kształcie stożka
(stąd nazwa – „Kalorymetr stożkowy”)
metoda badawcza, znormalizowana
w USA (ASTM E 1354), przyjęta przez
ISO (ISO 5660-1:1987), stosowana w
wielu ośrodkach naukowych w świecie
(http://www.fire-testing.com)
jest obecnie najbardziej zaawansowanym
technicznie przyrządem do badania
właściwości pożarowych materiałów
15
Kalorymetr stożkowy umożliwia wyznaczanie:
szybkości wydzielania ciepła w funkcji czasu spalania materiału
(HRR), ang. Heat Release Rate
szybkości ubytku masy próbki w funkcji czasu spalania (MLR),
ang. Mass Loss Rate
gęstości optycznej dymu powstającego podczas spalania
materiału
stężenia CO i CO2 wydzielających się podczas rozkładu
termicznego i spalania badanej próbki
zapalności materiału, tj. czasu, po którym następuje zapalenie
próbki w określonych warunkach badania
16