Technická normalizace a vícepodlažní dřevostavby
V současnosti roste zájem o realizaci vícepodlažních dřevostaveb. V případě vícepodlažních dřevostaveb je klíčovou problematikou jejich požární bezpečnost, tuhost a akustika. Předložený příspěvek je zaměřen na problematiku požární bezpečnosti vícepodlažních dřevostaveb, která je v současnosti předmětem největších diskusí.
1. Úvod
Problematice technické normalizace v oboru dřevěných konstrukcí je na ČVUT v Praze věnována velká pozornost. Mimo jiné je to dáno i tím, že řada jeho pracovišť tvoří Centra technické normalizace v ČR a podílí se na tvorbě národních a evropských technických norem.
Na ČVUT je realizován též poměrně rozsáhlý výzkum zaměřený na problematiku vícepodlažních dřevostaveb. V minulém roce byl za podpory Lesů ČR realizován projekt, který si kladl za cíl komplexní posouzení možností většího uplatnění vícepodlažních budov na bázi dřeva v porovnání se zděnými/silikátovými budovami.
V rámci řešení projektu byly nejprve zpracovány návrhy Referenčních vícepodlažních budov na bázi dřeva pro porovnání s vícepodlažními zděnými/silikátovými budovami. V případě vícepodlažních obytných budov byly pro porovnání vybrány konstrukční systémy na bázi lehkého skeletu a masivní deskové konstrukce. V případě vícepodlažních administrativních budov byl pro porovnání vybrán těžký skelet.
Referenční vícepodlažní budovy na bázi dřeva byly porovnány s vícepodlažními zděnými/silikátovými budovami z těchto hledisek:
- Nákladů na výstavbu.
- Časové náročnosti výstavby.
- Energetické náročnosti na výstavbu a provoz.
- Ekologie výstavby a bilance uhlíkové stopy (LCA).
Zpracovány též byly analýzy dílčí problematiky související s možností většího uplatnění dřeva ve vícepodlažních budovách.
2. Požadavky na požární bezpečnost dřevostaveb v ČR
Dřevostavby jsou v současnosti v ČR nejčastěji využívány pro stavbu rodinných domů, méně často obytných a administrativních budov. Tyto stavby patří do skupiny nevýrobních budov se specifickým postupem posuzování požární bezpečnosti stavby podle ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní budovy. Výhodou těchto druhů staveb je poměrně spolehlivé stanovení požárního zatížení, a tím i celého požárního rizika požárního úseku, které je jedním z rozhodujících faktorů pro požadavky na požární odolnost stavebních konstrukcí. Pro dřevěné stavební konstrukce je vyhláškou č. 23/2006 Sb., o technických podmínkách požární ochrany staveb, ve znění pozdějších předpisů, taxativně požadován IV. stupeň požární bezpečnosti. Ten je dán i v tabulce ČSN 73 0802 pro hořlavý konstrukční systém objektu v závislosti na nejvyšším výpočtovém požárním zatížení v posuzovaném požárním úseku a na požární výšce objektu h, která se měří od prvního k poslednímu užitnému nadzemnímu podlaží. Pro hořlavý konstrukční systém a bytovou výstavbu s předpokládaným požárním zatížením 40 kg.m−2 je přípustná požární výška do 9 m, to je do 4 nadzemních podlaží, u administrativních budov s potřebným zázemím je možné dosáhnout maximálního požárního rizika 60 kg.m−2 a tím požární výšky do 4 m, tj. 2 nadzemních podlaží. Z normy ČSN 73 0802 též vyplývá, že hořlavé stavební konstrukce nelze v tomto stupni požární bezpečnosti použít na požární stěny a stropy v podzemních podlažích a mezi objekty, dále v obvodových stěnách, které zajišťují stabilitu objektu nebo u stěn chráněných únikových cest, požárních a evakuačních výtahů a u požárních pásů v obvodových stěnách. Požadavky na nehořlavé požární pásy bez požárně otevřených ploch a s požadovanou požární odolností lze však nahradit stabilním sprinklerovým hasicím zařízením nebo doplňkovým sprinklerovým hasicím zařízením u objektů s požární výškou až do 12 m.
21. září 2017, veletrh FOR ARCH, On-line přihláška ZDE
Omezení použití dřeva v nosných konstrukcích není zásadní a normy v oboru požární bezpečnosti staveb poskytují možnosti využití dřeva v daleko větší míře, než jaká je současná praxe. Podle způsobu užívání stavby a její výšky je však třeba přizpůsobit i způsob použití hořlavých konstrukcí. Při požáru bývají velkým problémem pro zasahující hasiče dutiny ve stavebních konstrukcích, kterými se oheň nekontrolovatelně šíří. Nejčastěji se jedná např. o povrchové opláštění dřevěných konstrukcí sádrokartonovými deskami, které jsou navrhovány pro zajištění požadované požární odolnosti a po dokončení stavby prokazovány prohlášením stálosti vlastností na požární stěny nebo stropy podle provedených zkoušek. V jejich plochách ale nejsou při tepelném namáhání ve zkušebně provedeny otvory např. pro okna a dveře.
Zcela nové možnosti při řešení problematiky požární bezpečnosti a odolnosti dřevostaveb nám dává požární inženýrství. V kontextu s českým prostředím je požární inženýrství vnímáno jako disciplína, která přistupuje k otázkám požární bezpečnosti komplexním způsobem a využívá postupy, které jsou odlišné od tradičních způsobů zajištění požární bezpečnosti. Tyto postupy se využívají jako alternativní přístup k tradičním normovým postupům zejména v případech, kdy aplikace standardních normativních přístupů vede k neefektivním, nepřiměřeným či dokonce neproveditelným opatřením. Metody požárního inženýrství jsou i v našem domácím prostředí vnímány jako neoddělitelná součást vývoje tohoto oboru. V období let 2009 a 2010 došlo k úpravě tzv. kmenových norem požární bezpečnosti staveb, ve kterých byl postup při požárně inženýrském řešení vymezen informativními přílohami, např. I podle ČSN 73 0802. Zavedení systému pro posuzování projektů zpracovaných požárním inženýrstvím je prezentováno jako jeden z cílů Koncepce požární prevence v České republice, vypracované MV GŘ HZS.
3. Požadavky na požární bezpečnost dřevostaveb ve Švýcarsku
Zemí, která má dlouholetou tradici ve využívání dřeva při stavbě nejen budov je Švýcarsko, které se vyznačuje stejnou stavební kulturou jako naše země. Málo kdo vnímá i filosofii jejich architektů, kteří si většinou kladou za cíl dělat stavby pro lidi – střízlivé a praktické.
Prvního ledna 2015 se ve Švýcarsku změnily předpisy požární bezpečnosti. Nové předpisy přinesly výrazné výhody pro dřevostavby v mnoha oblastech. Například nyní je možné použít konstrukční dřevo i pro výškové budovy při návrhu podle speciálních pravidel. Další změny zahrnují zjednodušení zatřídění budov (nízkopodlažní budova, vícepodlažní budova a výšková budova) a použití, které jasně přiděluje požadavky na požární bezpečnost. Předpisy požární bezpečnosti chrání osoby a majetek proti nebezpečí vzniku požáru. Cílí na majitele a uživatele budov, zařízení a vybavení, plus na všechny osoby, které se zabývají plánováním, stavbou, obsluhou nebo údržbou daných prostor. Dřevo jako konstrukční materiál může být použito ve všech kategoriích budov. Pokud jde o požadavky na požární bezpečnost, není žádný rozdíl mezi hořlavými a nehořlavými konstrukčními prvky. Obytné, administrativní budovy a školy, stejně jako průmyslové a komerční budovy mohou být navrženy jako dřevěné konstrukce až do výšky 30 m (nízkopodlažní a vícepodlažní budovy).
Pro výškové budovy je použití dřevěné konstrukce možné za určitých podmínek (zapouzdření).
Pro požární návrh dřevěných budov Lignum (švýcarský dřevozpracující průmysl) publikoval rozsáhlou dokumentaci, která je považována požárními autoritami jako současný stav poznání. Tato dokumentace o požární bezpečnosti dřevěných budov reprezentuje důležitý nástroj plánování, návrhu, provedení projektů pro architekty, inženýry, požární autority a dodavatele.
Požární návrh konstrukčních prvků ze dřeva může být proveden podle následujících možností:
- Použitím produktů nebo dílů, které jsou dány v registru švýcarské požární bezpečnosti (Swiss Fire Safety Register).
- Použitím standardizovaných komponentů, například podle Lignum dokumentace požární bezpečnosti, publikace komponenty ze dřeva – desky, stěny a obložení s požární odolností.
- Ověřením pomocí výpočtů za použití uznaných výpočtových metod, například podle Lignum dokumentace požární bezpečnosti „Požární návrh konstrukčních prvků a spojů“.
Stupeň zaručení kvality požární bezpečnosti je definován pro každou budovu v jednom ze čtyř stupňů kvality, které definují odpovídající požadavky a odpovědnost osob zapojených v procesu. Dřevěné budovy, které jsou zařazeny do kategorie nízkopodlažních budov, patří do systému zaručení kvality 1 (QSS 1), budovy z kategorie vícepodlažních budov patří do systému zaručení kvality 2 (QSS 2). Dřevěné budovy z QSS 2 vyžadují účast experta, který je zodpovědný za zaručení kvality návrhu požární bezpečnosti.
Chování dřevěných konstrukcí za požáru je zkoumáno ve Švýcarsku hlavně v Institutu pozemního stavitelství (IBK) na ETH v Curychu. Ukončené a právě probíhající výzkumné projekty jsou v tabulce.
| Výzkumný projekt | Typ zkoušky | Doba trvání požární zkoušky |
|---|---|---|
| Požární odolnost kompozitních desek dřevo – beton | Ve velkém měřítku, ISO požár | 60 až 90 minut |
| Požární odolnost dřevěných desek tvořených dutými prvky | Ve velkém měřítku, ISO požár | 60 až 105 minut |
| Požární odolnost stěnových sestav lehkého dřevěného skeletu | Ve velkém měřítku, ISO požár | 60 minut |
| Požární odolnost panelů z křížem vrstveného dřeva | Ve velkém měřítku, ISO požár | 30 až 70 minut |
| Požární odolnost lepených dřevěných konstrukčních prvků | Ve velkém měřítku, ISO požár | 20 až 70 minut |
Nové výpočetní modely pro dřevěné desky, stěny a spoje byly vytvořeny na základě experimentální a numerické analýzy. Tyto studie umožnily revizi švýcarských požárních předpisů z roku 2005, které dovolovaly obytné dřevěné budovy do výšky 6 podlaží. Tato změna výrazně zvýšila počet realizovaných dřevěných budov.
Na obr. 1 je sedmipodlažní dřevostavba od architekta Schigeru Bana otevřená v roce 2013, jejíž dřevěnou konstrukci realizovala firma Blumer-Lehmann.
Co ale musíme u dřevěných konstrukcí citlivě vnímat vedle požáru je i její trvanlivost. Proto v tomto případě má nosná konstrukce předsazenu skleněnou obvodovou konstrukci, aby nebyla přímo vystavena povětrnosti, viz obr. 1.
Obr. 1 Administrativní budova Tamedia v CurychuV současnosti je nejvyšší dřevostavba v Evropě obytná budova Treet v Bergenu, která má 15 podlaží a výšku 52,8 m. Přestože je vnitřní konstrukce budovy dřevěná, tak obvodový plášť je s ohledem na povětrnostní vlivy též v provedení ocel a sklo, viz obr. 2.
Obr. 2 Obytná budova Treet v Bergenu4. Problematika požární bezpečnosti dřevostaveb k řešení
Ačkoli v minulých letech bylo získáno mnoho důležitých poznatků o konstrukčním chování dřevěných prvků, stále zbývá několik mezer ve znalostech. Tyto mezery jsou například v následujících oblastech.
- Data pro skutečné požáry: K dispozici je nedostatek statistických informací o požárech reálných dřevěných budov. Tyto informace chybí ve většině zemí. Aby se mohly vyvinout pravděpodobnostní návrhové metody, je nutné mít k dispozici data o počtu a závažnosti požárů, efektivity automatických a ručních hasicích prostředků.
- Experiment na konstrukcích skutečných rozměrů: Více testů na konstrukcích skutečných rozměrů je potřeba pro zjištění informací o závažnosti požárů. Kvůli zvyšujícímu se trendu vícepodlažních dřevěných budov je důležité opatrně adresovat vliv hořlavých materiálů na intenzitu požáru, zejména když v konstrukci není žádné zapouzdření ani sprinklery.
- Experimenty v malém měřítku: Více experimentů na zmenšených modelech je potřeba pro ohodnocení míry zuhelnatění různých druhů dřeva a dřevěných výrobků při přírodních podmínkách pro požár, pro ohodnocení samohasících vlastností různých druhů dřeva a vlastností dřeva při různých stupních vystavení požáru, pro ohodnocení různých typů požárních zarážek, pro ohodnocení chování různých typů spojů atd.
- Modelování: Existující požární modely musí být rozšířeny tak, aby mohly zahrnout změny ve ventilačních podmínkách při rozvoji požáru a přesunu požáru ve velkých prostorách. Kvůli dřevěným konstrukcím musí být do modelů zahrnut přínos hořlavých materiálů. Jednoduché tepelné modely mohou být použity pro návrh velkých dřevěných konstrukcí, pokud rychlost zuhelnatění dřeva je známa pro různé teploty požáru. Rychlost zuhelnatění dřeva je dobře známa u vystavení dřeva normovému požáru, ale je nutné znát změny v rychlosti zuhelnatění u vystavení dřeva více reálnějšímu požáru. Více výzkumu, který zahrnuje i experimenty ve velkém měřítku, je požadováno pro zjištění rychlosti zuhelnatění, potřebné pro jednoduché výpočetní modely aplikované na více realistické požáry. Pokročilé tepelné modelování může být provedeno použitím metody konečných prvků (FEM). Tyto pokročilé metody jsou důležité pro vývoj jednoduchých modelů zuhelnatění, ale nejsou obvykle požadovány pro návrh. Hlavním problémem pro vývoj pokročilejších tepelných výpočetních modelů je získání přesných časově závislých a teplotně závislých tepelných vlastností materiálů. Kompletní požární modelování konstrukce pomocí FEM požaduje spojení tepelné a mechanické analýzy. Tato analýza je velmi složitě dosažitelná kvůli velkému počtu neznámých vstupních hodnot. Pro standardní vystavení ISO požáru bylo dosaženo obrovské zlepšení. Nicméně stále mnoho věcí musí být zjištěno pro získání přesných vstupních hodnot tak, aby chování dřevěné konstrukce vystavené skutečnému požáru mohlo být předpovězeno pravdivě.
- Návrh na užitné vlastnosti konstrukce: Mezinárodní dohoda je potřeba pro celkovou koncepci návrhu na užitné vlastnosti pro požární bezpečnost (a požární odolnost), konzistentní pro všechny materiály. Měla by být založena na požárním návrhu pro různé typy a velikosti budov a osazenstva. Toto musí být zahrnuto pro vývoj pravděpodobnostních nebo semipravděpodobnostních návrhových metod požární bezpečnosti tak, aby byl podpořen návrh budov, který splňuje cíle pro pravděpodobnost kolapsu konstrukce, specifikovanou v moderních normách.
5. Závěr
Za podpory EU, státu a GŘ Lesů ČR byl v minulém období v ČR realizován poměrně široký výzkum v oboru dřevostaveb. Tento výzkum si kladl za cíl nejen vyvíjet pokročilé materiály a výrobky na bázi dřeva, ale i optimálně kombinovat ve stavbách dřevo s betonem, zdivem, ocelí a sklem s cílem co nejlépe využít vlastnosti každého z těchto materiálů. Cílem výzkumu bylo přispět k procesu vytváření podmínek pro větší využití dřeva v českém stavebnictví.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory projektu COST CZ LD15077 „Mechanicky spojované křížem vrstvené dřevo (CLT)“ a projektu SGS17/125/OHK1/2T/11 „Navrhování dřevobetonových kompozitních stropů na účinky požáru“.
Literatura
- ČSN EN 1995-1-1 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby , ČNI, Praha, 2006 (Změna A1, ÚNMZ, Praha 2009).
- ČSN EN 1995-1-1 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby , ČNI, Praha, 2006 (Změna A2, ÚNMZ, Praha 2015).
- ČSN EN 1995-1-2 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006 (Oprava 1, ÚNMZ, Praha 2010).
- ČSN EN 16351 Dřevěné konstrukce – Křížem vrstvené dřevo – Požadavky, ÚNMZ, Praha, 2016.
- ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty, ÚNMZ, Praha, 2009.
Poznámka: Od roku 2009 zajišťuje vydávání norem ÚNMZ a ČNI byl zrušen.
At present, there is growing interest in the realization of multi-storey wooden buildings. In the case of multi-storey wooden buildings, their safety, stiffness and acoustics are of key importance. The submitted paper focuses on the issue of fire safety of multi-storey wooden buildings, which is currently the subject of major discussions.