Letöltés - Hidak és Szerkezetek Tanszéke

FASZERKEZETEK MÉRETEZÉSE TŰZHATÁSRAAZ EUROCODE 5 SZERINTKulcsár Béla - dr.Lublóy ÉvaKivonat, kizárólag oktatási célra!

5.1 BevezetésA fa szerkezeti alkalmazása az utóbbi évtizedekben Európa-szerte újbólszéleskörben terjed. A hagyományos építészeti alkalmazása - mint tetőszerkezetek,készházak, oszlop-gerendavázas épületek, csarnokok, kilátók,kulisszaépítmények - mellett a mérnöki felhasználás is egyre gyakoribb. Amérnöki szerkezetek jellemző példái a gyalogos- és közúti hidak,hídzsaluzatok vagy a mobil távközlési tornyok tartószerkezetei. Faszerkezeti anyagból rúd- és felületszerkezetek egyaránt megépíthetők.Fűrészelt fa rúdszerkezetek leggyakrabban a készházépítésben, az általánosházak 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. oszlopgerendafőtartóvázakat, csarnokokat, hidakat vagy tornyokat építhetünk.Felületszerkezetekre tömör fa falak vagy födémek mutatnak pédát, ezeklehetséges 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 azOSB és a rétegelt lemez (plywood) kerül alkalmazásra.Fűrészelt fa rúdszerkezetek jellemzően fenyőből készülnek (C-szilárdságiosztályúak), leggyakoribb a luc- vagy erdei fenyő, illetve igényesebb esetekbena vörösfenyő. Lombos fafajokat (D-szilárdsági osztályúak) ritkábbanalkalmaznak, ha igen úgy tölgyfát vagy elvétve akácot. Ezenkívülszámos más fafaj is előfordulhat szerekezeti faanyagként, de használatukegyedi és általában projektekhez köthető.Mint az összes szerkezeti anyagnál, a fánál is általában acél kapcsoló- vagymegerősítő-elmeket használunk a tartószerkezeti elemeki összeépítéséhez.Ragasztott kapcsolatok túlnyomóan üzemben készülnek, és azáltal a szerkezetielem részét alkotják.A készházépítésben illetve fa szerkezeti elemek tűzvédelmi burkolataikénttúlnyomóan gipsz alapú lemezeket, mint az általános gipszkartont (GKB),tűzálló gipszkartont (GKF) vagy gipszrost lemezeket építenek be.

5.2 A faanyag szilárdsági jellemzői - emlékeztetőA fa ortotrop anyagmodellel írható le, rostirányú feszültség-relatív nyúlásdiagrammja és a keresztmetszeti feszültség-eloszlás az 5.1.a-b ábrákon látható.Valós - fahibákkal, göcsökkel rendelkező - faanyag esetén közel lineárisanrugalmas, míg a hibamentes faanyagnál képlékeny σ-feszültségábrais 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-rostokridegtörésével áll elő, ezért a faelemek igénybevételeinek számításátrugalmas alapon, a keresztmetszeti ellenőrzést – a tiszta nyomás kivételével– szintén rugalmas anyagmodellel végezzük. Képlékeny ellenőrzésalapvetően a képlékeny tartalékkal rendelkező acél csap típusú ill., fogastárcsás kapcsolatoknál alkalmazható.A fa szilárdsági jellemzőit befolyásolja az igénybevétel módja, a terhelő erő/ feszültség és a rostirány által bezárt szög, a faanyag egyensúlyinedvességtartalma és a működő teher időtartama.A fa viselkedését nomrál hőmérsékleten az Eurocode 5-1-1 [1] szabvány(Faszerkezetek tervezése. Általános szabályok) tárgyalja. A fa szilárdságátaz Eurocode 5 a következő paraméteres formátumban adja meg:A táblázati érték a karakterisztikus érték, az 5%-os kvantilis biztonságiszintjének felel meg. A fanyag szilárdsági osztályát annak hajlító-húzó-

szilárdságával jellemezzük, pl. a C24-es fűrészelt fenyő karakterisztikushajlítószilárdsága f m,k = 24 N/mm 2 .A hibamentes faanyag rostirányú szilárdsági értékei közül általában ahúzószilárdság a legnagyobb, a valós – azaz hibákat, pl. göcsöket tartalmazó- fa 5% kvantilisét tekintve a húzószilárdság mégis a kisebb érték, eztköveti a nyomó- és a hajlítószilárdság. A rostra merőleges nyomószilárdságaz előbbi szilárdsági jellemzőknél nagyságrendileg kisebb, a rostramerőleges húzószilárdság pedig szinte elhanyagolható.A tervezési érték (design value) - az Eurocode biztonsági szintjénekmegfelelően – a mintegy 1‰-es kvantilis. Az Eurocode 5 szerint aszilárdásg tervezési értéke a következőképpen számítható:kmodft,0,d= ft,o,kγMaholk modγ Ma 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 jellemzőiTűzhatás alatt a faanyag magasabb hőmérsékleten jelentős kémiaiátalakuláson megy át (5. 2 ábra). A faanyag égése kevert kémiai folyamat,ami hőbomlással és a parázzsal égéssel egyaránt megmutatkozik. Ahőbomlás (pirolízis) során éghető gázok fejlődnek, melyek a fa felületéhezközel kaphatnak lángra - ez a látható láng - míg a parázslás felületi izzástjelent.A faanyag nedvességtartalma 100ºC-ig eltávozik. Fafajtól függően a 100-200ºC közti tartományban lassú felületi elszenesedés figyelhető meg. Ezenréteg (kéreg) alatt megkezdődik a termikus bomlás is, amikor gyúlékonygázok távoznak a fából. A fa lobbanáspontja a 200-250ºC közé tehető,ekkor a felszabadult éghető gázok külső gyújtóhatásra a fa felületéhezközel egy pillanatra lángra lobbannak. Az eltávozott gázok folytonos égésea 250-300ºC tartományában várható, ekkor a hőbomlással távozott ésgyújtóforrással aktivált gázok folyamatosan égnek, továbbá a felületparázzsal égése is látható. Mintegy 330ºC-ra tehető a fa öngyulladása,amikor a hőbomlással távozott gázok külön gyújtóhatás nélkül, csak ahőmérsékletük okán meggyulladnak és folyamatosan égnek. 600-700ºCkörnyékén a fafelület már csak parázzsal ég, ennek égés-terméke, a faszénlátható izzás közben a tűzben.

A elszenedesedett külső réteg – a faszén – hőszigetelő képességét többmérnöki összefoglaló is túlbecsüli. Mindenki tapasztalta tábortűznél afaszén felületének kockás felhasadását. A felületi szén hasadásai, repedéseialatt található a hőbomlás zónája (pirolízis), mely a repedéseken keresztülelég helyet kap az éghető gázok távozásához és a faanyag továbbihőbomlásához . A faszén réteg vastagsága pedig durván állandó, 1-2 cmkörüli értéket vesz fel, az ennél vastagabb rész egyszerűen leesik, ezért nemműködik vastag hőszigetelő burokként.A külső szénréteg a beégést így gyakorlatilag csak „kontrollálja”. Akísérletek alapján az elszenesedés ill. a hőbomlási zóna – eredeti felszínhezképesti – mélysége (charring depth) közelítőleg lineáris összefüggésselírható le:d char= β ⋅taholβtaz 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, deelőtte ejtsünk szót röviden a faanyag két másik igen fontos tulajdonságáról:- a fa hőtágulása a tűzhatás idején – zsugorodása miatt - nagyságrendilegkisebb az acél-szerkezetekénél, ezért azt gyakran elhanyagoljuk,- a faanyag éghető volta miatt növeli a számított állandó tűzterhelést, ami atűzvédelmi szaktervező munkájához fontos adat.A faanyag hőtani jellemzőit – testsűrűség, hővezetési tényező és fajhő – akémiai átalakulás miatt nehéz folytonos hőmérsékleti tartománybankísérletileg meghatározni. Az Eurocode 5-1-2 erre mégis kísérletet teszerre, 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. Adiagramm kezdeti magasabb (112%) relatív értéke arra utal, hogy a relatívtestsűrűséget (d ratio) - a tűzben amúgy jól megközelíthető - az abszolútszáraz állapothoz viszonyították.5.3. ábra: A faanyag relatív testsűrűsége magasabb hőmérsékleten[3]d ratio =ρ Θρ 0%A hővezetési tényezőt a szabvány még az elszenesedett zónára is definiálja.Ezek az adatok alapvetően idealizált értékek, nem kísérletilegmeghatározott 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 elméletimegfontolások szerint a külső szénréteg repedéseiben távozó éghető gázokegyben 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, amelynekfigyelembe vételét a fa nedvességtartalmának változása indokolja.5.5. ábra: A faanyag fajhője magasabb hőmérsékleten [3]5.4 Az elszenesedett réteg vastagságaAz elszenesedett réteg vastagságába a hőbomlási zónát is beleértjük, ígyvalójában az ép keresztmetszeten kívüli részt határozzuk meg. Azelszenesedett réteg vastagságát – és ezzel az elszenesedési sebességet –kísérleti úton mérték meg, a tűzkísérlet után a szénréteg eltávolításával. AzEurocode 5-1-2 – a hőbomlási zóna hőmérsékletéhez igazodva - névleg a300°C-os izotermát szabja meg elszenesedési mélységnek, de változó helyűhőbomlási front miatt ez az izoterma nehezen mérhető.Az elszenesedési sebesség – számos más paraméter mellett – legfőképp afafajtól, a faanyag tömöttségétől valamint a keresztmetszet geometriaiviszonyaitól függ.Sík felületen egyoldali (egydimenziós) tűzhatásakor – pl. élpalló táblák,rétegelt deszkalemez, OSB – az elszenesedési mélység és az elszenesedésisebesség jól mérhető és definiálható (5.6. ábra).d char⋅t, 0= β 0d char,0β 0taz elszenesedett réteg vastagságaaz elszenesedési (beégési) sebesség sík felületen, standard tűzhatása tűzhatás időtartama

5.6. ábra: Az elszenesedett réteg vastagsága (d char,0 ) egyoldali (egydimenziós)tűzhatás esetén [3]Az elszenesedési sebességek faanyagokra az EC 5-1-2 alapján az alábbiak:Faanyagβ 0 [mm/min] β n [mm/min]a) fenyő és bükkRR-fa (GL), ρ k ≥ 290 kg/m 3 0,65 0,70fűrészelt fa, ρ k ≥ 290 kg/m 3 0,65 0,80b) lombos fafűrészelt fa vagy RR-fa (GL), ρ k ≥ 290 kg/m 3 0,65 0,70fűrészelt fa vagy RR-fa (GL), ρ k ≥ 450 kg/m 3 0,50 0,55c) ragasztott furnérfa (LVL)fűrészelt fa vagy RR-fa, ρ k ≥ 290 kg/m 3 0,65 0,70d) fa építőlemez , ρ k ≥ 450 kg/m 3 és d ≥ 20 mmtömör falemez 0,9 -rétegelt lemez 1,0 -egyéb faanyagú lemezek 0,9 -5.1. táblázat: sík felület és rúdszerkezetekelszenesedési (beégési) sebessége, β 0 és β n [3]Több oldalról működő tűzhatás esetén – mely jellemzően rúdszerkezeteketér – a sík felületekhez képest a metsződési élek környezetébentöbbdimenziós hőáram és fokozott elszenesedés figyelhető meg. Ez ajelenség pl. az elszenesedési front lekerekítésével vehető figyelembe, ami akorábbi ENV-előszabvány [5] alapján még alkalmazható volt de a mérnökiszámításokat a gyakorlatban feleslegesen bonyolítaná. Másik lehetőség egyhelyettesítő, azaz a keresztmetszet határoló síkjaival párhuzamos, névlegeselszenesedési front felvétele, és az elszenesedési mélység (d char,n ) ill.sebesség (β n ) ekképp történő megállapítása.dchar,n= β ⋅ tnd char,nβ ntelszenesedett réteg névleges vastagsága többdimenziós tűzhatásnálnévleges elszenesedési (beégési) sebesség rúdszerkezetnél standardtűzhatás eseténtűzhatás időtartama

5.7. ábra: Elszenesedési front és a helyettesítő elszenesedési mélység (d char,n )rúdszerkezeteknél [3]Fűrészelt fa gerendák vagy oszlopok beégési sebessége (β n ) nagyobbszáradási hasadások miatt nagyobb egy azonos keresztmetszetű RR-fáhozképest, (5. 1. táblázat).5.5 A faanyag jellemzői a tűzhatás soránMagas hőmérsékleten a fa anyagjellemzői romlanak, az anyag 20ºC-hozképesti szilárdsága és rugalmassági modulusa csökken. A 300ºC-osnormatív hőbomlási hőmérséklet fölött a faanyag - pontosabban a faszén –szilárdsága értelemszerűen f θ = 0.5.8. ábra: A faanyag relatív szilárdsága magas hőmérsékletenf Θk Θ = [3]f20 0 C

5.9. ábra: A faanyag relatív rugalmassági modulusa magas hőmérsékletenf Θk Θ = [3]f20 0 CAz el nem égett faanyagban magasabb – 60-80ºC-ot meghaladó - Az elnem égett faanyagban 60-80ºC-ot meghaladó hőmérséklet azonban csak ahőbomlási zóna alatti 4-8 mm-es sávban, tehát az ép keresztmetszetperemén fordul elő. A maradó keresztmetszet további részeinek szilárdságanem kisebb a 20ºC-on mért szilárdságnál.A hőbomlási front alatti átmeneti a zónát az EC 5 a k 0 ×d 0 = 7 mm-esvastagsággal veszi figyelembe. 20 percnél rövidebb tűzhatás esetén azátmeneti zóna vastagsága csökkenthető.Rendkívüli tervezési helyzetben - ilyen a tűzhatás is - az Eurocode akorábbi Magyar Szabvány koncepciójához hasonlóan csökkentettbiztonsági szintet követel meg. Faanyag esetén az Eurocode 5-1-2 aszilárdság 20%-os kvantilisére való tervezést engedi meg. A 20%-oskvantilis (f 20 ) és a 5%-os kvantilis (f k : karakterisztikus érték) hányadosát ak fi tényező mutatja meg, melynek értékei különböző faanyagokra azalábbiak szerint vehetők figyelembe (5.2. táblázat):Faanyagk fi = f 20 /f kfűrészelt fa - fenyő és lombos fa 1,25RR-fa (GL) 1,15faalapú építőlemezek 1,15ragasztott furnérfa (LVL) 1,15.2. táblázat: a 20%-os és az 5%-os kvantilis arány – k fi [3]

Az EC 5-1-2 a nem főirányhoz tartozó szilárdsági értékek tűzhatás közbeniváltozására nem ad értéket. Szakirodalmi adatok szerint az erő-rostok általbezárt 0 0 < α < 90 0 köztes tartományban a tűzbeli szilárdság értéke (f k ) akár20%-kal is csökkenhet. Ezért a tűzhatásra történő ellenőrzésnél javasoltáltalános szögek esetén a 0,8 × f α,k szilárdsági értékből kiindulni. Ez aprobléma a gyakoratban ácskötések igazolásánál fordulhat elő.A fa szilárdságának anyagoldali biztonság tényezője rendkívüli teherkombinációban- a többi szerkezeti anyaghoz hasonlóan - γ M,fi = 1,0.A fa keresztmetszet teherbírásának számítására az Eurocode 5-1-2 hárommódszert kínál.5.5.1 „Csökkentett keresztmetszet” módszereEgyszerű tervezési módszer, a mérnöki gyakorlat túlnyomó többségébenezt használjuk, és a Nemzeti Melléklet [5] is ennek alkalmazását javasolja,nem kötelező jelleggel (5.10. ábra).A geometriától függően egy- vagy többoldali elszenesedett külső kéregetnem vesszük figyelembe, és a hőbomlási front alatti átmeneti, névlegesenk 0 ×d 0 = 7 mm vastag zóna szilárdságát is nullának tekintjük. Az épfakeresztmetszet ezen belüli, alacsony hőmérsékletű részét (ideáliskeresztmetszet) pedig a 20ºC-os szilárdsági értékkel vesszük figyelembe.5.10. ábra: „Csökkentett keresztmetszet” módszere – az ideális keresztmetszet [3]Az ideális keresztmetszet szilárdságának tervezési (f d,fi ) értéke az alábbiakszerint számítható:fd , fi= kfikmod, fiγM , fifk

aholf k a szilárdság karakterisztikus értéke (5%-os kvantilis)k fi a 20%-os kvantilis aránya a karakterisztikus értékhez képestγ M,fi módosító tényező, értéke tűzhatásnál 1,0k mod,fi anyagoldali biztonsági tényező, értéke tűzhatásnál 1,05.5.2 „Redukált anyagjellemzők” módszereMunkaigényesebb, de az előzőnél pontosabb módszer (5.11. ábra). Amérnöki gyakorlatban jellemzően karcsú fakeresztmetszetek igazolásárahasználjuk, mint pl. szeglemezes fatartók palló vastagságú elemeinél.Az elszenesedett külső kéreget nem vesszük figyelembe, a hőbomlási frontalatti átmeneti kb. 7 mm vastag zónát azonban igen, vagyis a teljes maradókeresztmetszetet.5.11. ábra: „Redukált anyagjellemzők” módszere – a maradó keresztmetszet [3]Az átmeneti zóna a maradó keresztmetszet peremén, a várható legnagyobbnormálfeszültségek helyén található, ezért a teljes maradófakeresztmetszetet az átmeneti zóna magasabb hőmérsékletének megfelelőcsökkentett (k mod,fi ) szilárdsággal és merevségi jellemzőkkel vehető figyelembe.Az átmeneti zóna magasabb hőmérséklete mérnökileg nehezenmegfogható fogalom, így annak hatását az indirekt a felmelegedésrejellemző kompaktsági mérőszámmal, az ép keresztmetszet kerület-területarányával(p/A r ) írták le.fd , fikmod, fimod, fi= kfifkés E05,fi= kfiE05γγM , fiM , fik

aholf d,fif kE 05,fiE 05k fiγ M,fik mod,fia szilárdság tűzhatás során figyelembe vehető tervezési értékea szilárdság karakterisztikus értéke (5%-os kvantilis)rugalmassági modulus tűzhatás során számítható tervezési értéke- stabilitásvizsgálathoza rugalmassági modulus értéke (5%-os kvantilis) – stabilitásvizsgálathoz(pl. kihajlás)a 20%-os kvantilis aránya a karakterisztikus értékhez képestmódosító tényező, értéke tűzhatásnál 1,0 – teherbírási és használatihatárállapotban egyarántmódosító tényező, értéke legalább 20 perces tűz esetén a következőkszerint számítható1 pkmod,fi= 1−- hajlítás:200 Ar1 pkmod,fi= 1 −125 A- nyomás:r1 pkmod,fi= 1−- húzás és rugalmassági modulus:330 AraholpAraz elszenesedett kéreg alatti maradó keresztmetszet kerülete (m)az elszenesedett kéreg alatti maradó keresztmetszet területe (m2)T = 0-20 perc tűzhatás-időtartam intervallumának k mod,fi módosító tényezőjea T = 0 perc időtartamhoz tartozó k mod,fi =1,0 és a T = 20 perc időtartamhoztartozó, előbb számított k mod,fi tényező között lineáris interpolációalkalmazható.5.5.3 „Lekerekített sarkok” módszereRúdelemek esetén lehetséges az elvi modell szerint a „pontos” beégésszámítása. Ekkor a rúdelem oldalának beégése (d char,0 ) a felületszerkezetekegy-dimenziós elszenesedési sebességével (β 0 ) számítható, de az épkeresztmetszet számításánál tekintettel kell lenni a sarkok intenzívelszenesedése miatti lekerekítésre is. A hőbomlási front alatt az átmenetizóna figyelembe vétele miatt a faanyag szilárdsága a „redukáltanyagjellemzők” módszerénél ismertetettek szerint, csökkentett k mod,fi -tényezővel számíandó.Ez a módszer csak egy adott rúdszélesség fölött használható, továbbá alekerekítési sugár javasolt értéke sem szerepel a segédlet kiadáskor hatályos

szabványban, ezért használata csak utólagos igazolásként javasolható.Ennek nem ritka előfordulása miatt adatként megemlítjük, hogy alekerekítési sugár az ENV előszabványban [5] az elszenesedési mélységgel(d char,0 ) volt azonos. A számítási eljárás részletes ismertetése az előszabványvisszavonása után kikerült a hatályos Eurocode 5 1-2 fejezetből.5.6 Elburkolt faszerkezetekA védelem nélküli faanyag elszenesedését (beégését) figyelembe vevőszámítási eljárásokkal általában csak korlátozott tűzállósági határértékekigazolhatók (jellemzően 30, esetleg 60 perc). Nagyobb tűzállósági határértékekelérésének egyik lehetősége a faanyag tűzvédő építőlemezekkel -pl. gipszkartonnal - történő elburkolása. E fejezetben a körbeburkolt farúdszerkezetek igazolását ismertetjük.A gipsz alapú tűzvédő burkolatoknak két fő hatásmechaniumusa van atűzhatás idején, a hőszigetelő képességük és a saját anyaguk tűzállósága. Agipsz alapú építőlemezek hővezetési tényezője (λ) a fa hővezetésitényezőjével kb. azonos érték, anyagának viszonylag magas tűzállóságihatárértékét pedig a vegyileg kötött kristályvíz kb. 150 0 C-on történődehidratációja során bekövetkező hőelvonása biztosítja.A tűzálló gipszkartonlemezek (GKF) belső gipszmagjába - az általánosgipszkartonnal (GKB) szemben - gyártás során üvegszálakat kevernek. AGKF-lemezek ezért a karton elégése után is rendelkeznek húzószilárdsággal,ami további tűzállósági határérték-tartalékot biztosít.A hőszigetelő képesség fenntartása és a lángáttörés elkerülése érdekében azEC 5-1-2 a védő burkolatoknál max. 2 mm vastag fugát enged meg.Tűzhatás során a védő burkolat alatti faanyag hőmérséklete - hakorlátozottabb mértékben is - szintén nő. A burkolat alatt a fa a sajátgyulladási hőmérséklete elérésének időpontjában (t ch ) önmagában isszenesedésnek indulhat illetve meggyulladhat, még a védő burkolattönkremeneteli időpontja (t f ) előtt. Gipsz alapú tűzvédő burkolatoktönkremeneteli időpontját az Eurocode 5-1-2 alacsony értékkel közelíti, ésmegengedi a két időpont azonosnak vételét (t ch = t f ). GKF-lemezeknélmegengedett t f > t ch figyelembe vétele is, de ehhez kísérleti igazolásszükséges.Általános gipszkarton (GKB), tűzálló gipszkarton (GKF) és gipszrostlemezes burkolatok alatt a fa elszenedsedésének kezdeti ideje az EC5-1-2szerint tűzben (t ch ) a következő képlettel számítható:t ch = 2,8 h p -14

ahol h p a védő burkolat helyettesítő vastagsága. Egy réteg gipsz alapúlemez esetén h p = h. Két réteg általános gipszkarton (GKB) alkalmazásakora helyettesítő vastagságnál a belső réteg vastagsága 50%-kal vehetőfigyelembe:h p = 1,0 × h p,out + 0,5 × h p,inKét réteg tűzálló gipszkarton (GKF) beépítésekor a helyettesítővastagságnál a belső réteg vastagságának 80%-a vehető figyelembe:h p = 1,0 × h p,out + 0,8 × h p,inKét réteg gipsz-alapú védőburkolat alkalmazása esetén mindkét rétegetazonos sűrűségű kötőelemekkel (ált. gipszkartoncsavar) kell a szerkezetifához rögzíteni. Azaz a belső rétegen áthaladó kötőelemek száma a külsőréteg duplája.Tűzállósági kísérletekkel a gipszkarton védőburkolat tönkremenetelénekszámított értékhez képest nagyobb tűzállósági határértékek is igazolhatók.A faanyag még hosszabb tűzállóságát biztosító gipszkarton + üveggyapothőszigetelés - mint anyagkombinácó - tűzállósági határértékének meghatározásakísérleti úton javasolt.A fa elszenesedésének (beégésének) kezdete egyszerűsítve a gipsz alapúvédőburkolat számított tönkremeneteli idejével (t ch = t f ) vehető azonosnak.A fa meggyulladása előtti „előmelegítés” miatt nem csak egy külső pármm-es sáv, hanem mintegy 20 - 25 mm vastag felületi zóna hőmérséklete iselérheti a kb. 200-250 0 C-ot a gipsz védőburkolat tönkremeneteléig. Abeégés (elszenesedés) kezdeti sebessége ezért a védelem nélküli esethezképest jóval magasabb (12. ába, 2a egyenes), melyet az EC 5-1-2 egy k 3 =2,0-s szorzóval vesz figyelembe.

5.12. ábra: Elburkolt szerkezet faanyagának elszenesedési mélysége(charring depth) a tűzhatás idejének függvényében, ha t f = t ch [3]A d char = 25 mm-es elszenesedési mélység elérése után a hőáram alakulásaa faanyag belső keresztmetszetében a védelem nélküli esethez hasonlófolyamatokkal jellemezhető (2b egyenes), ezért ezt követően a védelemnélküli eset (1 egyenes) elszenesedési sebességével (β) szabad számolni.Az így meghatározott maradó keresztmetszet az 5. fejezet bármelyikmódszerével igazolható, de az elszenesedési sebességet és mélységet aválasztott módszerhez igazítva kell számítani.5.7 Kapcsolatok viselkedése a tűzhatás soránFaszerkezetek helyszíni toldása jellemzően acél kapcsolóelemekkeltörténik. Jelentősebb tűzvizsgálati tapasztalatokat európa-szerte a csaptípusú kapcsolóelemek vizsgálatával nyertek, így ezen ismeretek kerültekbe az EC5-1-2 szabványfejezetbe is.A legyakrabban előforduló, védelem nélküli csap típusú kapcsolóelemeknélkét fő jelenség figyelhető meg tűzhatás során. Az acél kapcsolóelem jóhővezető képessége és kis tömege miatt gyorsan felhevül és kilágyul. Azacél jó hővezető képessége miatt az acélelemek fával érintkezőpalástfelülete is felhevül, ezzel csökkentve a fa beágyazási szilárdságát.Rendkívüli tervezési helyzetben az Eurocode 5 a kapcsolatokkal szemben iscsökkentett biztonsági szintet követel meg. A teherbírás 20%-os (R 20 ) és a5%-os kvantilisének (R k : karakterisztikus érték) hányadosa (k fi ) agyakoribb kapcsolatok esetén a következő:

Kapcsolat típusak fi = R 20 /R knyírt kapcsolatok fa- vagy faalapúszélső elemekkel1,15nyírt kapcsolatok külső oldali1,05acéllemezekkelkihúzódásra igénybe vett kapcsolatok 1,055.3. táblázat: Kapcsolati teherbírás 20%-os és az 5%-os kvantilisének aránya – k fiA fölös számításokat elkerülendő, az EC5 a jellemzőbb, faelemeketösszekötő kétszernyírt csap típusú kapcsolatra - néhány feltétel teljesüléseesetén - minimális tűzállósági határértéket ad.Kapcsolóelem Min. tűzállósági határérték Feltétel*típusaT d,fi [min]Szeg 15 d ≥ 2,8 mmFacsavar 15 d ≥ 3,5 mmÁtmenő csavar 15 t 1 ≥ 45 mmAcélrúd 20 t 1 ≥ 45 mmFogas tárcsa / gyűrű 15 t 1 ≥ 45 mm*ahol d a kapcsolóelem átmérője és t 1 a szélső fa vastagsága5.4. táblázat: Kétnyírású kapcsolatok minimális tűzállósági határértéke [3]Szeglemezes kapcsolatok tűzállósági határértékét az EC 5-1-2 nemtárgyalja. Egy korábbi Országos Tűzvédelmi Szabályzat - az 1996-osOTSZ [7] - adatai alapján a szeglemezes kapcsolatok tűzállósági határértékeazok vékony acéllemezes kapcsolatai miatt T H = 0,8 × 0,25 h = 0,2 h= 12 min időtartammal közelíthető. Ez az EN 13501-1 [8] fogalmai alapjánR10 tűzállósági határértéket jelent a mechanikai ellenállás szempontjából.Ha a 5.4. táblázatban felsorolt kapcsolatoktól nagyobb tűzállósági határértékeinélvárunk el, az a következő módszerekkel igazolható.5.7.1 „Csökkentett teherbírás” módszereAz 5.4. táblázatban megadotthoz képest nagyobb elvárt tűzállóságihatárérték esetén az acélcsap anyaga lágyul és a fa beágyazási szilárdságais jelentősen csökken.Az EC 5-1-2 alapján e jelenség a nyírt, fa-fa kapcsolat teherbírásánakglobális csökkentésével (η) vehető figyelembe. A kapcsolat „hideg” teher-

írását az EC 5-1-1 alapján úgyis ki kell számítani, a módszer használataezért a legtöbb esetben kézenfekvő.FV , Rk , fikfi⋅ ⋅ FV, Rk= η és− k ⋅T d , fiη = eaholF V,Rk,fi a nyírt kapcsolat teherbírása tűzhatás idején (20%-os kvantilis)F V,Rk a nyírt kapcsolat teherbírása normál hőmérsékleten,karakterisztikus érték (5%-os kvantilis) az EC 5-1-1 szerintiJohannsen-féle egyenletek vagy kísérletek alapján számítvak fi a 20%-os kvantilis aránya a karakterisztikus teherbíráshoz képestη a hosszabb idejű tűzhatás miatti teherbírás-csökkentő tényezők a kapcsolatra jellemző konstans (5. táblázat)T d,fi a kapcsolat előírt tűzállósági határértéke percben, de legfeljebb az5.5. táblázatban megadott értéka módszerrel elérhetőKapcsolat típusa k max. tűzállósági határértékT d,fi [min]Szeg és facsavar 0,08 20Átmenő csavar d ≥ 12 mm, fa-fa kapcsolat 0,065 30Átmenő csavar d ≥ 12 mm, fa-acél kapcsolat 0,085 30Acérúd d ≥ 12 mm, fa-fa kapcsolat* 0,04 40Acérúd d ≥ 12 mm, fa-acél kapcsolat* 0,085 30Fogas tárcsa / gyűrű 0,065 30*acélrudak esetén 4 acélrudanként legalább egy fűzőcsavar szükséges5.5. táblázat: Kétnyírású kapcsolatok elérhetőtűzállósági határértéke és k-kitevője [3]A faelemek túlzott elszenesedésének elkerülésére a kétszer nyírt fa-fakapcsolatok épségének feltétele a karcsúbb szélső fák minimális vastagsága(t 1 ) :⎧ 50 mmt1≥ max⎨⎩50+ 1,25 ⋅( d −12)mmaholt 1da kétszer nyírt fa-fa kapcsolat szélső fájának vastagsága,az acélrúd vagy csavar átmérője.

5.7.2 „Egyszerűsített” módszerHa a kapcsolat normál hőmérsékleten az EC5-1-1 alapján megfelel, akapcsolat tűzállósági határértékét legfeljebb 30 percig kizárólag akapcsolóelemek peremtávolságainak és a kapcsolt elemek méreteineknövelésével szabad javítani.Használata akkor egyszerűsítheti a mérnöki munkát, ha bonyolultgeometriájú csomópontot kell ellenőrizni, és nem gazdaságtalan – általábanaz összes kapcsolt – faelem térfogatának növelése.A kapcsolat teherbírásának újbóli kiszámítása nélkül, tisztán a faelemekkeresztmetszetének növelésével igazolható a tűzállóság. Az EC 5-1-1szerinti „hideg” peremtávolságok és a keresztmetszeti méretek - a kapcsolatigeometriára és a tűzhatás lehetséges irányaira jellemző, a minimálistűzállósági határérték (mind T d,fi ) utáni - elszenesedési mélység-többlettel(a fi ) növelendők (5.13. ábra).5.13. ábra: Kapcsolatok ellenőrzésének „egyszerűsített” módszere [3]A faelemek peremének elszenesedési mélység-többlete (a fi ) a következőösszefüggéssel határozható meg:( T −T)afi nkflux req d , fi= β általában k flux = 1,5

aholT reqT d,fiβ nk fluxa kapcsolat szükséges tűzállósági határértéke, de max. 30 perca kapcsolat 5.4. táblázat szerinti minimális tűzállósági határértékeaz elszenesedési sebesség rúdelem és standard tűzterhelés eseténacél kapcsolóelem megnövekedett hőáramát jellemző együtthatóAz így számított elszenesedési mélység-többlettel az alábbi faelem-méreteknövelendők meg:- a szélső faelem vastagsága,- a szélső faelem magassága és- a kapcsolóemek peremtávolságai (a 3 és a 4 ) .5.8 Fa és a kapcsolódó anyagok tűzvédelmi besorolásaAz EU-Bizottság döntése [6] alapján a fűrészelt (természetes) fa, a rétegeltragasztottfa (RR-fa) és az OSB-lemez a „D” tűzvédelmi osztálybasorolható (korábbi közepesen éghető csoport). A ragasztott termékek esetén- a gyártóknak - ügyelni kell a ragasztóanyag megválasztásakor a ragasztóüvegesedési pontjára. A szabvány szerinti ragasztott-fa termékek esetében aleggyakrabban alkalmazott fenol-formaldehid és aminoplaszt ragasztóküvegesedési hőmérséklete kis mértékben a faanyag gyulladási hőmérsékletealá tehető. Az el nem égett faanyagban 150-250 ° C magas hőmérsékletekazonban csak az átmeneti zóna 3-5 mm vastag külső peremén fordulnakelő, ahol egy esetleges lokális delamináció a faanyag viselkedését ésteherbírását érdemben nem befolyásolja.A faanyag égési tulajdonsága égéskésleltető festéssel javítható. Szerkezetifaelemeken alkalmazott égéskésleltető felületi bevonattal - a védő bevonatirendszer minősítésétől függően - C vagy B tűzvédelmi osztály érhető el, deeközben a tűzállósági határérték nem nő!Az acél kapcsolóelemek az A1 tűzvédelmi osztály anyagai, védelem nélkülcsekély tűzállósági határértékkel. Tűzvédő festéssel az acélelemek 30illetve 60 perces tűzállósága érhető el, de ehhez a tűzvédő festésalkalmazástechnikai útmutatójában előírt minimális acéllemez-vastagságbetartása szükséges.Alumínium kapcsolóelemek szintén az A1 osztály elemei, de ezektűzállósági határértéke - védelem nélkül - nem éri el a minimálisanelőírható 10 percet sem.Az általános gipszkarton jellemzően a B tűzvédelmi osztályba tartozik, atűzvédő gipszkarton és a gipszrost lemezek az A2 osztályba sorolhatók. Agipsz alapú termékek gyártmányként kezelendők, így esetenként jellemzőik

az előbbi irányelvektől eltérhetnek. Az alkalmazott gyártmány tűzvédelmiminősítését ezért mindig ellenőrizni kell.A továbbiakban a faszerkezetek tűzbeli állékonyságát előíró R-kritériumigazolását ismertetjük. Az E és I kirtérimok igazolása nem statikustervezési 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 NemzetiMelléklete. Eurocode 5. Faszerkezetek tervezése. 1-2. rész: Általánosszabályok. 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 építésitermékek tűzzel szembeni viselkedés szerinti osztályainak megállapításárólszóló 2003/43/EK határozat módosításáról.[7] Országos Tűzvédelmi Szabályzat (1996) - korábbi, azóta többszörmódosított OTSZ, a 35/1996. (XII.29.) BM-rendelettel kiadva[8] MSZ EN 13501-1 (2007) Épületszerkezetek és építési termékektűzvédelmi osztályba sorolása. 1. rész: Osztályba sorolás a tűzveszélyességivizsgálatok eredményeinek felhasználásával[9] MSZ EN 1990 NB (2005) Nemzeti Melléklet az MSZ EN 1990szabványhoz. Eurocode 0. A tartószerkezetek tervezésének alapjai