EPS ETICS JULKISIVUJEN PALOTURVALLISUUS KERROSTALOISSA Palotutkimuksen päivät 2013 Esko Mikkola Tuula Hakkarainen, VTT Anna Matala, VTT
2 Taustaa Energiatehokkuuden ja kestävän kehityksen vaatimukset tuovat uusia tehokkaampia lämmöneristeitä sekä uusiin että vanhoihin rakennuksiin. EPS (expanded polystyrene) eristeiden hyvä lämmöneristävyys ja suuri puristuskestävyys ovat laajentaneet ja monipuolistaneet niiden käyttöä. EPS alkaa korkeissa lämpötiloissa kutistua ja sulaa. Jos paloaltistus on riittävän korkea, syttyy sulanut materiaali. Alhaisen tiheyden takia vapautuva kokonaislämpömäärä tilavuusyksikköä kohti on pieni ja vapautuvaa lämpömäärää rajoittaa julkisivukäytössä EPS:n suojaaminen joka puolelta. Tässä tutkimuksessa selvitettiin ulkoseinässä käytettävän EPS eristeen vaikutus rakennuksen paloturvallisuuteen ja käytettiin toiminnallisen paloturvallisuussuunnittelun menetelmiä vaadittavien suojaustapojen perusteiden tuottamiseen. Julkisivujen EPS eristejärjestelmät sisältävät määriteltyjä rappausjärjestelmiä ulkokerroksena (External thermal insulation composite systems, ETICS) ja palokatkoja (palamaton mineraalivilla) eristekerroksessa. Tutkimus kattoi korkeintaan 8 asuinkerroksen rakennukset pääpainon ollessa käytönaikaisessa henkilöturvallisuudessa.
3 Esitettävä aineisto perustuu raporttiin Fire safety of EPS ETICS in residential multi-storey buildings, VTT-R-04632-13 Analyysi keskittyy rakennuksen sisältä alkaviin paloihin käyttäen tyypillisten asuntojen tilastoihin perustuvia pinta-ala- ja palokuormatietoja. Yhden kerroksen palotilan yläpuolella olevan ikkunan tasolla suurimmat lämpösäteilyn arvot voivat olla koetulosten mukaan lyhytaikaisesti maksimissaan 70 75 kw/m 2. Ulkoisten syttymien aiheuttamat tulipalot eivät aiheuta lieskahtaneita huonepaloja suurempia palorasituksia julkisivulle. Ulkopuolelta syttyneitä paloja noin 10 % ja sisäpuolelta syttyneitä noin 90 %. Simuloituja lämpösäteilyn arvoja julkisivulla ikkunan rikkouduttua Rakennusten välisen etäisyyden oletetaan olevan vähintään 5-8 m.
4 EPS eristeet EPS laadut Valkoinen EPS ja harmaa EPS palosuojattuna ja ilman palosuojausta Paksuus maksimi 300 mm, minimi 50 mm Tiheys 15 22 kg/m 3 Suojaaminen julkisivussa Oletuksena sisäpuolella oleva EI 30 -seinä, joka suojaa sisäpuolista paloa vastaan. Vastaavan suojauksen ollessa myös ulkopuolella EPS ei vaikututa palon leviämiseen julkisivulla. Kun EPS suojataan ulkopuolelta lujitetulla ohutrappauksella (ETICS, joka täyttää ETAG 004:n vaatimukset) käytetään lisäksi palokatkoja, jotka estävät palon leviämisen eristeessä yli kahden kerroksen verran.
5 Palokatkojen vaihtoehtoja Palokatkot: 200 mm korkea mineraalivilla (A2-s1, d0) kunkin ikkunan yläreunassa tai yhtenäinen 300 mm korkea mineraalivilla (A2-s1, d0) joka toisessa kerroksessa
6 EPS eristeiden palaminen eri olosuhteissa Palosuojaamaton EPS Ei suojaavaa pintakerrosta Altistustaso 50 kw/m 2 Harmaa Valkoinen [1-4] Teräslevyllä (0,6 mm) suojattu Tiheys (kg/m 3 ) Paksuus (mm) Syttymisaika (s) RHR max (kw/m 2 ) RHR 60s (kw/m 2 ) 18 15-20 16 25-50 25-50 25 35-41 18-37 68 343-411 407-507 477 218-306 158-345 - 1. Mikkola, E. & Kallonen, R. Combustion of chemical substances and the impact on the environment of the fire products. Cone calorimeter experiments. VTT Building Technology, Fire Technology. Espoo, 1994. 2. Scudamore, M. J., Briggs, P. Prager, F. H. Cone calorimetry - A review of tests carried out on plastics for the association of plastic manufacturers in Europe. Fire and Materials. Vol. 15, pp. 65 84,1991. 3. Collier, P.C.R. and Baker, G.B. (2004). Improving the Fire Performance of Polystyrene Insulated Panel in New Zealand. BRANZ Report No. FCR 9. ISSN: 0113-3675. 4. Collier, P.C.R. (2005). Flame Barriers for Foamed Plastics. BRANZ Study Report SR 144, BRANZ Ltd.
7 Palosuojattu EPS Altistustaso 50 kw/m 2 Ei suojaavaa pintakerrosta Harmaa ja valkoinen Valkoinen [1-4] Teräslevyllä (0,6 mm) suojattu Teräslevyllä (0,6 mm) + kuitusementtilevyllä (4,5 mm) suojattu Tiheys (kg/m 3 ) 19-22 15-22 16 16 Paksuus (mm) 25-50 25-50 25 20 Syttymisaika (s) 46-56 24-46 83 198 RHR max (kw/m 2 ) 265-330 306-380 97 77 RHR 60s (kw/m 2 ) 172-293 173-320 - - 1. Mikkola, E. & Kallonen, R. Combustion of chemical substances and the impact on the environment of the fire products. Cone calorimeter experiments. VTT Building Technology, Fire Technology. Espoo, 1994. 2. Scudamore, M. J., Briggs, P. Prager, F. H. Cone calorimetry - A review of tests carried out on plastics for the association of plastic manufacturers in Europe. Fire and Materials. Vol. 15, pp. 65 84,1991. 3. Collier, P.C.R. and Baker, G.B. (2004). Improving the Fire Performance of Polystyrene Insulated Panel in New Zealand. BRANZ Report No. FCR 9. ISSN: 0113-3675. 4. Collier, P.C.R. (2005). Flame Barriers for Foamed Plastics. BRANZ Study Report SR 144, BRANZ Ltd.
8 Rappauksen suojaaman EPS eristeen syttyminen ja palaminen EPS eristettä suojaava ohutrappaus (5-8 mm) ei syty ja rappaus suojaa eristettä rajoitetun ajan: Välittömästi palotilan yläpuolella olevassa seinässä EPS voi syttyä, jos altistustaso on 30 kw/m 2 noin 15 min ajan tai 50 kw/m 2 noin 3 min ajan. EPS:n syttymisen jälkeen lämpöä vapautuu maksimissaan korkeintaan 100 kw/m 2 ja pidemmän ajan keskiarvona noin 50 kw/m 2 eli vähemmän kuin tavallisten puutuotteiden palamisessa. EPS-ohutrappausjärjestelmällä on tehty aiemmin täyden mittakaavan kokeita (koekappaleen korkeus 5 6 m). Hyväksymisen kriteereinä ovat olleet lämpösäteilyarvo palotilan yläpuolella olevan ikkunan kohdalla sekä maksimilämpötila räystästasolla. Hyväksytyissä kokeissa palanut alue on ulottunut korkeintaan kaksi kerrosta palotilaa ylempänä olevan ikkunan alareunaan.
9 PALON LEVIÄMISEN SIMULOINTI JA TILASTOTIETOJEN HYÖDYNTÄMINEN Alla on yksinkertaistetun tapahtumapuun avulla havainnollistettu palon leviämisen vaiheita ja riippuvuussuhteita. Arvoja tapahtumapuun haarautumiin saadaan tilastoista ja simuloimalla.
10 Tilastotietoja Suomi PRONTO vuodet 2004 2012 Ruotsi IDA-tietokanta vuodet 2004 2011 Ulkopuolisten syttymien osuus kerrostalopaloissa kummassakin maassa 8-9 % Palon leviämisen tilanne palokunnan saapuessa on ollut seuraava kun tarkastellaan palon leviämistä palo-osaston ulkopuolelle: Suomi 2-4 % Ruotsi 1 % Niiden palojen osuus, jotka rikkovat huoneiston ikkunan ja voivat levitä julkisivulle: Tämä tutkimus: noin 0,7 % Aiempien tutkimusten yläraja 2 %
11 Todennäköisyyspohjainen palon simulointi Simuloinnit tehtiin Monte Carlo -tekniikalla käyttäen palosimuloinnissa Fire Dynamics Simulator (FDS) ohjelmistoa. Käytetyt muuttujat ja jakaumat olivat seuraavat: Muuttuja Jakauma Parametrit Huoneen pinta-ala (m 2 ) Ikkunallisen seinän pituus (suht.) Ikkunan korkeus (m) Ikkunan leveys (m) Palokuorma (MJ/m 2 ) Ikkunan rikkoutumisen viive (min) Palotehon huipun ajanhetki (min) Tasajakautunut 7, 30 Tasajakautunut 0.25, 0.75 Tasajakautunut 1.2, 1.4 Tasajakautunut 1, 3 Kolmiojakautunut 200, 600, 1000 Log-normaali 1.099, 0.610 Tasajakautunut 5, 45
12 Esimerkki lieskahtaneesta huonepalosta Palotilan ikkunan rikkoutumisajan kumulatiivinen todennäköisyys
13 1 krs palotilan yläpuolella 2 krs palotilan yläpuolella At least A2-s1, d0 EPS/rendering At least A2-s1, d0 EPS/rendering Noin 25 minuuttiin asti (= 1500 s) palotilan yläpuolella olevien ikkunoiden rikkoutumisen todennäköisyys on lähes sama sekä palamattoman eristeen että EPS eristeen julkisivulle.
14 EPS:n vaikutus palon kehittymiseen a) b) Simulointitulosten esimerkkejä A2-s1, d0 -luokan julkisivulle ja EPS/rappaussysteemille, jolle lämmöntuoton arvoina on käytetty 50 kw/m 2 ja 100 kw/m 2 a) Lämpösäteily 1 krs palotilan yläpuolella b) Lämpösäteily 2 krs palotilan yläpuolella
15 Ikkunan ja sisäkulman etäisyyden vaikutus Rappauksen suojaaman EPS:n syttyminen on epätodennäköistä silloin kun ikkuna on vähintään 1 metrin etäisyydellä sisäkulmasta
16 Palon leviämisen todennäköisyys yläpuolella oleviin kerroksiin Tapahtuman todennäköisyys Tilastojen mukaan Vähintään/lähes A2- s1, d0 julkisivu Simulointien tulos Vähintään A2-s1, d0 julkisivu Simulointien tulos Rappaus + EPS eristys Ikkuna rikkoutuu 1 krs yläpuolella 1.66 % 1.95 % Ikkuna rikkoutuu 2 krs yläpuolella 0.26 % 0.31 % Ikkuna rikkoutuu 1 tai 2 krs yläpuolella < 0.7 % - 2 % 1.9 % 2.3 %
17 Todennäköisyyspohjainen hyväksyttävän turvallisuustason arviointi Asuinkerrostaloissa syttymistodennäköisyys < 7.5. 10-6 1/m 2 a + huoneiston keskimääräinen pinta-ala 70 m 2 5. 10-4 todennäköisyys huoneistoa kohti vuodessa Julkisivu vähintään A2-s1, d0 materiaaleista: Korkeintaan 1-2 % paloista leviää ylempiin kerroksiin: < 1. 10-5 todennäköisyys ikkunaa kohti palon leviämiselle yläpuolisiin asuntoihin Jos asunnossa korkeintaan 4 isoa ikkunaa: < 4. 10-5 todennäköisyys yläpuolen kerroksiin leviämiselle Tillander, K. 2004. Utilisation of statistics to assess fire risks in buildings. Espoo, VTT Building and Transport. 224 p. + app. 37 p. VTT Publications 537. EPS eristetty julkisivu: < 4.8. 10-5 todennäköisyys yläpuolen kerroksiin leviämiselle Tillander, K., Oksanen, T. & Kokki, E., 2009. Paloriskin arvioinnin tilastopohjaiset tiedot, VTT Tiedotteita 2479
18 Palokuolemien määrä asuinkerrostalopaloa kohti 1-2. 10-2 ; yhdistämällä tämä ikkunan kautta leviävän palon todennäköisyyksiin päädytään palokuolemien todennäköisyyteen noin 10-6 rakennuspaloa kohti (yläraja) Vertaaminen F-N-käyriin osoittaa henkilöturvallisuuden tavoitteiden toteutuvan At least A2-s1, d0 F-N-käyrät: Korhonen, T., Hostikka, S., Keski- Rahkonen, O. A proposal for the goals and new techniques of modeling pedestrian evacuation in fires. 8th Int. Symp. on Fire Safety Science. IAFSS (2005), pp. 557-569.
19 Rakentamisen/korjausrakentamisen aikainen paloturvallisuus EPS ilman rappauksen antamaa suojausta Pienet sytytyslähteet palosuoja-aineen vaikutus Palosuojattu EPS (luokka E) ei syty helposti pienillä sytytyslähteillä ja tarvitsee syttyäkseen korkeamman lämpösäteilyn (noin 25 kw/m 2 ) ja pitemmän altistusajan kuin palosuojaamaton EPS Suuremmat sytytyslähteet (50 kw/m 2 tai enemmän) Ei suuria eroja palosuojatun ja palosuojaamattoman EPS:n välillä Palon leviäminen lähinnä ylöspäin (enimmillään jopa noin 100 m 2 :n alueelle 8-kerroksisessa talossa) Ohjeita rakennustyömaiden paloturvallisuutta koskien: CFPA Guideline No21 (Fire prevention on construction sites) CFPA Guideline No12 (Fire safety basics for hot work operatives) SPEK opastaa 25: 2011. Paloturvallisuus rakennuksen korjaustyön aikana.
20 Suosituksia asennusvaiheeseen Työmailla syttymisen riskien yleinen vähentäminen minimoimalla palavien nesteiden ja kaasujen käyttöä sekä palokuorman määrää (mukaan lukien jätemateriaalit) Tulityöohjeita tulee noudattaa ja työmaa-alueella tulee olla tupakointikielto Paloturvallisuutta koskevien ohjeiden ymmärtäminen tulee varmistaa tarpeen mukaan kieliversioilla Jos asunnot ovat käytössä asennustyön aikana, tulee minimoida se aika jolloin EPS ei ole rappauksella suojattu sekä toteuttaa ja ohjeistaa turvallinen poistuminen palon sattuessa (muussa tapauksessa asunnot suositellaan pidettävän tyhjinä asennustyön alueella)
21 Yhteenveto Palotilan yläpuolella olevien ikkunoiden rikkoutumisen simuloimalla arvioitu todennäköisyys sama kuin tilastoista saatava yläraja Rikkoutumisen todennäköisyydet syttynyttä paloa kohti EPS ETICS: 2.3 % Vähintään A2-s1, d0 julkisivu: 1.9 % Palokuoleminen todennäköisyydet EPS ETICS: 1,0 x 10-6 Vähintään A2-s1, d0 julkisivu: 0,8 x 10-6 Nämä ovat hyväksyttävällä tasolla F-N-käyriin vertailtaessa Julkisivun rakenteelliset ratkaisut ja niihin liittyvät yksityiskohdat ovat oleellisia paloriskien hallinnassa. Jos asunnot ovat käytössä asennustyön aikana, minimoi se aika jolloin EPS ei ole rappauksella suojattu sekä varmista turvallinen poistuminen palon sattuessa.
22 Kiitokset Tutkimuksen rahoittivat EPS-rakennuseristeteollisuus, Plast- & Kemiföretagen/EPS-Bygg sekä European Manufacturers of Expanded Polystyrene (EUMEPS).