Gęstość obciążenia ogniowego: wzór, obliczanie i przykład

Czym jest gęstość obciążenia ogniowego i skąd bierze się obowiązek jej liczenia?

Norma PN-B-02852:2001 „Ochrona przeciwpożarowa budynków. Obliczanie gęstości obciążenia ogniowego oraz wyznaczanie względnego czasu trwania pożaru” definiuje ją (pkt 1.2.1) jako energię cieplną, wyrażoną w megadżulach, która może powstać przy spaleniu materiałów palnych znajdujących się w pomieszczeniu, strefie pożarowej lub składowisku materiałów stałych, przypadającą na jednostkę powierzchni tego obiektu, wyrażoną w metrach kwadratowych. Norma zastąpiła PN-70/B-02852.

Obowiązek wynika z § 208 ust. 2 pkt 2 lit. a warunków technicznych: stosowanie przepisów o bezpieczeństwie pożarowym wymaga uwzględnienia Polskich Norm dotyczących zasad ustalania gęstości obciążenia ogniowego pomieszczeń i stref pożarowych. Załącznik nr 1 do rozporządzenia powołuje PN-B-02852:2001 w zakresie części dotyczącej gęstości obciążenia ogniowego, czyli pkt 2 normy. Część o względnym czasie trwania pożaru nie jest przywołana w przepisach.

Wzór na gęstość obciążenia ogniowego

Zgodnie z pkt 2.1 normy gęstość obciążenia ogniowego oblicza się ze wzoru:

Qd = Σ (Gi · Qci) / F, w MJ/m², gdzie sumowanie obejmuje materiały od i = 1 do i = n.

Warunki techniczne posługują się w tabelach symbolem Q, norma symbolem Qd. Chodzi o tę samą wielkość.

• n: liczba rodzajów materiałów palnych w pomieszczeniu, strefie pożarowej lub składowisku,
• Gi: masa poszczególnych materiałów, w kg,
• Qci: ciepło spalania poszczególnych materiałów, w MJ/kg (wartości dla wybranych materiałów podaje informacyjny załącznik A normy),
• F: powierzchnia rzutu poziomego pomieszczenia, strefy pożarowej lub składowiska, w m².

Jak obliczyć gęstość obciążenia ogniowego strefy złożonej z wielu pomieszczeń?

Gdy strefa pożarowa składa się z wielu pomieszczeń, norma (pkt 2.2.1) każe liczyć średnią ważoną powierzchnią: Qd = Σ (Qdi · Fi) / Σ Fi, gdzie Qdi to gęstość obciążenia ogniowego poszczególnych pomieszczeń, a Fi ich powierzchnia. Obliczenie zakłada, że materiały są równomiernie rozmieszczone na powierzchni rzutu.

Uśrednienie jest poprawne rachunkowo, ale nie zwalnia z analizy pomieszczeń o wysokim obciążeniu. Przepisy odwołują się w kilku miejscach do gęstości w pomieszczeniu, a nie w strefie. Przykładem jest § 19 ust. 3 pkt 2 rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów: w strefie PM o obciążeniu do 500 MJ/m² hydrant 52 jest wymagany, jeśli znajduje się w niej pomieszczenie o powierzchni ponad 100 m² i gęstości przekraczającej 1000 MJ/m².

Które materiały uwzględnić, a które można pominąć?

Według pkt 2.2.1 normy uwzględnia się materiały palne składowane, wytwarzane, przerabiane lub transportowane w sposób ciągły w danym pomieszczeniu, strefie lub składowisku. Materiałów wbudowanych w konstrukcję obiektu nie wlicza się: przedmowa normy wprost wskazuje, że o klasie odporności pożarowej, odległościach między budynkami i zaopatrzeniu wodnym decydują wyłącznie materiały składowane i przetwarzane. Pomija się materiały zanurzone w wodzie i roztworach wodnych oraz o zawartości wody ponad 60% (pkt 2.2.2).

Norma wprowadza też redukcję masy dla materiałów, które w zwartej postaci palą się wolno:

• 10% masy rzeczywistej (pkt 2.2.3): m.in. papier w rolach o średnicy co najmniej 0,5 m i długości co najmniej 1 m, papier w belach o wymiarach co najmniej 0,20 m × 1 m × 1 m, drewno okrągłe o średnicy co najmniej 0,2 m, węgiel i koks w pryzmach co najmniej 1 m, płyty drewnopochodne w ścisłych stosach 1 m × 1 m × 1 m, mrożonki i przetwory owocowo-warzywne oraz napoje na paletach,
• 20% masy rzeczywistej (pkt 2.2.4): zboże, cukier, mąka, kasze w workach ułożonych w stosy (bez nasion oleistych), papa w rolkach, papier poligraficzny w paczkach i pełnopaletowych ładunkach o masie ponad 400 kg.

Ciepło spalania wybranych materiałów według załącznika A normy

Załącznik A ma charakter informacyjny. Dla materiałów w nim niewymienionych norma każe przyjmować ciepło spalania określone na podstawie badań. Najczęściej używane wartości:

• papier: 16 MJ/kg,
• drewno o wilgotności do 12%: 18 MJ/kg; ponad 12%: 15 MJ/kg,
• płyta wiórowa: 18 MJ/kg,
• polietylen i wyroby (PE): 42 MJ/kg; polipropylen (PP): 43 MJ/kg; polistyren i wyroby (PS): 42 MJ/kg,
• pianka poliuretanowa (PU): 26 MJ/kg; tworzywa ABS: 36 MJ/kg,
• guma (średnio): 40 MJ/kg; opony gumowe: 32 MJ/kg,
• tekstylia: 19 MJ/kg; bawełna: 17 MJ/kg,
• benzyna (średnio): 47 MJ/kg; oleje napędowe: 44 MJ/kg,
• cukier: 16 MJ/kg; mąka ze zbóż (średnio): 15 MJ/kg.

Przedziały MJ/m² w budynkach PM: klasa odporności pożarowej i strefa

Warunki techniczne nie operują ciągłą skalą, tylko przedziałami. Zestawienie łączy tabelę § 212 ust. 4 (klasa odporności pożarowej budynku PM) z tabelą § 228 ust. 1 (dopuszczalna powierzchnia strefy PM bez pomieszczenia zagrożonego wybuchem, z wyjątkiem garaży). Kolejność: budynek jednokondygnacyjny; wielokondygnacyjny niski i średniowysoki; wysoki i wysokościowy.

• Q ≤ 500 MJ/m²: klasa „E” (1 kondygnacja), „D” (N), „C” (SW), „B” (W, WW); strefa 20 000 / 10 000 / 5000 m².
• 500 < Q ≤ 1000 MJ/m²: klasa „D”, „D”, „C”, „B”, „B”; strefa 15 000 / 8000 / 2500 m².
• 1000 < Q ≤ 2000 MJ/m²: klasa „C”, „C”, „C”, „B”, „B”; strefa 8000 / 4000 / 1000 m².
• 2000 < Q ≤ 4000 MJ/m²: klasa „B” w budynku jednokondygnacyjnym, niskim i średniowysokim; strefa 4000 / 2000 m², w budynku wysokim i wysokościowym niedopuszczalna.
• Q > 4000 MJ/m²: klasa „A” w budynku jednokondygnacyjnym, niskim i średniowysokim; strefa 2000 / 1000 m², w budynku wysokim i wysokościowym niedopuszczalna.

Powiększenia stref i możliwość przyjęcia klasy „E”

Strefy PM w części podziemnej nie powinny przekraczać 50% wartości z tabeli (§ 228 ust. 2), a dla stref z pomieszczeniem zagrożonym wybuchem limity są znacznie niższe. § 229 pozwala powiększyć strefę o 100% przy stałych samoczynnych urządzeniach gaśniczych wodnych, o 50% przy samoczynnych urządzeniach oddymiających i o 150% przy obu systemach. W budynku jednokondygnacyjnym wielkości strefy PM, z wyjątkiem garażu, nie ogranicza się przy zastosowaniu obu tych urządzeń (§ 230 ust. 2).

Dla jednokondygnacyjnego budynku PM o gęstości ponad 500 MJ/m² § 215 ust. 1 dopuszcza klasę „E”, jeżeli wszystkie elementy budynku są nierozprzestrzeniające ognia, a strefy o powierzchni ponad 1000 m² mają samoczynne urządzenia oddymiające. Obniżenie klasy nie zwalnia z wymaganej pierwotnie klasy elementów oddzielenia przeciwpożarowego (§ 215 ust. 2).

Gdzie jeszcze progi 500, 1000 i 4000 MJ/m² zmieniają projekt?

Gęstość obciążenia ogniowego strefy PM wraca w wielu innych przepisach:

• Przejście ewakuacyjne (§ 237 ust. 1): 75 m w strefie PM ponad 500 MJ/m² w budynku o więcej niż jednej kondygnacji nadziemnej; 100 m przy obciążeniu do 500 MJ/m² oraz w budynku jednokondygnacyjnym bez względu na obciążenie.
• Dojście ewakuacyjne (§ 256 ust. 3), strefa PM bez pomieszczenia zagrożonego wybuchem: przy Q > 500 MJ/m² 30 m przy jednym dojściu i 60 m przy co najmniej dwóch; przy obciążeniu do 500 MJ/m² odpowiednio 60 m i 100 m.
• Dwa wyjścia ewakuacyjne (§ 238 pkt 3 i 4): z pomieszczenia ponad 300 m² w strefie PM ponad 500 MJ/m² albo ponad 1000 m² przy obciążeniu do 500 MJ/m².
• Klatki schodowe (§ 245 pkt 3): obudowane, z drzwiami dymoszczelnymi i ochroną przed zadymieniem dla stref PM ponad 500 MJ/m² w budynku niskim i średniowysokim.
• Pas międzykondygnacyjny (§ 224 ust. 1): co najmniej 1,2 m nad strefą PM ponad 1000 MJ/m² w budynku wielokondygnacyjnym.
• Odległości między budynkami (§ 271 ust. 1): od budynku ZL wymagane jest 8 m przy Q ≤ 1000 MJ/m², 15 m przy 1000 < Q ≤ 4000 MJ/m² i 20 m przy Q > 4000 MJ/m².
• Podłogi podniesione (§ 259): R E I 60 zamiast R E I 30 w budynku ze strefą ponad 4000 MJ/m².
• Hydranty wewnętrzne (§ 19 ust. 3 i 4 rozporządzenia MSWiA z 2010 r.): hydrant 52 w strefie PM ponad 500 MJ/m² i ponad 200 m², z dopuszczeniem hydrantu 33 do 1000 MJ/m².

Przykład: jak obliczyć gęstość obciążenia ogniowego magazynu

Założenia: jednokondygnacyjny magazyn dystrybucyjny, jedna strefa pożarowa bez pomieszczeń zagrożonych wybuchem, powierzchnia rzutu F = 2000 m². Masy przyjęto dla maksymalnego zapasu projektowego, bo tabele WT odnoszą się do maksymalnej gęstości obciążenia ogniowego strefy. Ciepło spalania przepisano z załącznika A normy PN-B-02852:2001; opakowania kartonowe policzono jak papier, bo załącznik nie wymienia tektury osobno.

Krok 1: iloczyny Gi · Qci dla każdego materiału.

• opakowania kartonowe (papier, 16 MJ/kg): 30 000 kg × 16 MJ/kg = 480 000 MJ,
• palety drewniane (drewno do 12% wilgotności, 18 MJ/kg): 12 000 kg × 18 MJ/kg = 216 000 MJ,
• folia stretch (PE, 42 MJ/kg): 2 500 kg × 42 MJ/kg = 105 000 MJ,
• towar: pojemniki z polipropylenu (PP, 43 MJ/kg): 8 000 kg × 43 MJ/kg = 344 000 MJ.

Wynik przykładu i jego skutki dla projektu

Krok 2: suma energii. 480 000 + 216 000 + 105 000 + 344 000 = 1 145 000 MJ.

Krok 3: podział przez powierzchnię rzutu. Qd = 1 145 000 MJ / 2000 m² = 572,5 MJ/m².

Krok 4: przyporządkowanie. Wynik mieści się w przedziale 500 < Q ≤ 1000 MJ/m². Dla budynku jednokondygnacyjnego § 212 ust. 4 wymaga klasy „D”, a § 228 ust. 1 dopuszcza strefę do 15 000 m², więc 2000 m² mieści się z dużym zapasem. Przejście ewakuacyjne może mieć do 100 m (§ 237 ust. 1 pkt 3), hala o powierzchni ponad 300 m² potrzebuje co najmniej dwóch wyjść (§ 238 pkt 3), a hydranty wewnętrzne to 52 z możliwością zastąpienia hydrantami 33 (§ 19 ust. 3 pkt 1 i ust. 4 rozporządzenia MSWiA). Inwestor może też przyjąć klasę „E” na warunkach § 215 ust. 1: elementy nierozprzestrzeniające ognia i samoczynne oddymianie, bo strefa przekracza 1000 m².

Wariant kontrolny: gdyby zamiast kartonów składowano papier w belach o wymiarach co najmniej 0,20 m × 1 m × 1 m, do obliczeń wchodzi tylko 10% jego masy (pkt 2.2.3 normy). Wtedy 3 000 kg × 16 MJ/kg = 48 000 MJ, suma 713 000 MJ, a Qd = 713 000 / 2000 = 356,5 MJ/m². Magazyn schodzi do przedziału Q ≤ 500 MJ/m² i klasy „E” bez dodatkowych warunków z § 215. Sama forma składowania przesuwa więc obiekt o cały przedział.

Najczęstsze błędy przy obliczaniu gęstości obciążenia ogniowego

W projektach hal i centrów logistycznych, które trafiają do F&K do weryfikacji lub ekspertyzy, powtarzają się te same problemy:

• Liczenie stanu z dnia wizji lokalnej zamiast maksymalnego zapasu, jaki dopuszcza technologia i układ regałów.
• Pomijanie opakowań, palet i folii, które w magazynie wysokiego składowania dają znaczną część energii.
• Stosowanie redukcji 10% lub 20% bez spełnienia warunków wymiarowych i sposobu składowania z pkt 2.2.3 i 2.2.4 normy.
• Uśrednianie wysokiego obciążenia małego magazynu z niskim obciążeniem dużej hali bez sprawdzenia wymagań odnoszonych do pomieszczenia.
• Brak przeliczenia po zmianie najemcy lub asortymentu. W magazynach wysokiego składowania wzrost wysokości składowania przy tej samej powierzchni rzutu szybko podnosi Q ponad 2000 lub 4000 MJ/m², a wtedy zmieniają się klasa odporności pożarowej i dopuszczalna strefa.
• Brak zapisu przyjętego limitu obciążenia w instrukcji bezpieczeństwa pożarowego.

Względny czas trwania pożaru: druga część normy

Rozdział 3 normy pozwala odczytać z wykresu względny czas trwania pożaru na podstawie obliczonej gęstości. Przy gęstości ponad 5900 MJ/m² przyjmuje się czas 8 h, niezależnie od wartości obciążenia. Ta część nie jest przywołana w załączniku nr 1 do warunków technicznych, więc nie wpływa na klasę odporności pożarowej. Bywa natomiast pomocna w ekspertyzach dotyczących konstrukcji hal.

Stan prawny

Artykuł opisuje wymagania rozporządzenia Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Nowe warunki techniczne zmieniają numerację paragrafów; tekst zaktualizujemy po ich ogłoszeniu w Dzienniku Ustaw.