Reklama

Dřevostavby v současné nízkoenergetické výstavbě z hlediska protipožární bezpečnosti

3.9.2012

prof. Ing. Anton Osvald, CSc., Žilinská univerzita v Žiline, Fakulta špeciálneho Inžinierstva, prof. Ing. Jozef Štefko, PhD., Technická univerzita vo Zvolene, Drevárska fakulta

Recenzovaný

Reklama

Úvod

Novodobé konštrukčné systémy pre nízkoenergetickú výstavbu v pasívnom, nulovom štandarde, či energeticky autonómne budovy, ako aj zvýšená popularita konštrukcií z masívneho dreva znamenajú zásahy do samotnej konštrukcie, jej statiky, stavebnej fyziky, ale i protipožiarnych vlastností. Niektoré prototypové konštrukčné riešenia sú neoverené či už skúškam, hodnovernou výpočtovou analýzou, alebo overením pri dlhodobom užívaní stavby. V kontexte meniacich sa noriem v oblasti navrhovania budov sú potrebné nové prístupy tak, aby aj táto oblasť neznamenala potenciálne riziko a aby sa splnil odveký sen i u nás začať stavať viacpodlažné nízkoenergetické budovy.

V roku 1989 komisia a členské štáty EU sa rozhodli na základe dohody uznávať Eurokódy a súvisiace predpisy ako referenčné dokumenty na nasledujúce účely:

ako prostriedok na preukázanie zhody budov a inžinierskych stavieb so základnými požiadavkami smernice Rady 89/106/EHS, najmä základnej požiadavky:
- č. 1 – Mechanická odolnosť, stabilita a základné požiadavky;
- č. 2 – Požiarna bezpečnosť;
ako podklad na uzatváranie zmlúv na stavby a s tým súvisiace inžinierske služby;
ako rámcová osnova na prípravu harmonizovaných technických špecifikácií na stavebné výrobky.

Druhá základná požiadavka smernice EU o stavebných výrobkoch sa týka šírenia požiaru a dymu a nosnosti konštrukcie. Tieto požiadavky sú splnené preukázaním požiarnej odolnosti nosných alebo deliacich prvkov. Problematika protipožiarnej ochrany je tak špeciálne vymedzená pre všetky druhy stavieb. Rozhodujúcim kritériom sa stáva požiarna odolnosť, nakoľko tá napokon rozhoduje o materiálovej skladbe, priestorovom riešení a požiarnobezpečnostných opatreniach.

1.0 Charakteristiky požiarnej odolnosti

Všeobecne sa požaduje určenie požadovaných kritérií príslušnej stavebnej konštrukcie - nosnosť, celistvosť alebo schopnosť izolácie. Špecifikujú sa aj ďalšie voliteľné vlastnosti, menovite radiácia, mechanické hľadiská, schopnosť samouzatvárania a prienik dymu. Potreba klasifikácie na základe voliteľných vlastností závisí od národných predpisov a môže sa špecifikovať pri určitých prvkoch za určitých podmienok [7].

1.1 Kritérium únosnosti – `R`

Nosnosť R je schopnosť prvku konštrukcie odolávať určitý čas požiaru pôsobiacemu na jednu alebo viacero strán pri určenom mechanickom namáhaní bez straty jeho konštrukčnej pevnosti. Kritériá na hodnotenie hroziaceho zrútenia sa menia v závislosti od druhu nosného prvku. Pri prvkoch zaťažených ohybom, napríklad pri stropoch a strechách, je to rýchlosť deformácie (rýchlosť priehybu) a medzný stav pre skutočnú deformáciu (priehyb), alebo pri osovo zaťažených prvkoch, napríklad pri stĺpoch a stenách, je to rýchlosť deformácie (rýchlosť kontrakcie) a medzný stav pre skutočnú deformáciu (kontrakciu).

1.2 Kritérium celistvosti – `E`

Celistvosť E je schopnosť prvku konštrukcie, ktorý má požiarnu deliacu funkciu, odolávať požiaru pôsobiacemu len z jednej strany bez jeho prenosu na nenamáhanú stranu v dôsledku prieniku plameňov alebo horúcich plynov. Tie môžu spôsobiť vznietenie buď nenamáhaného povrchu, alebo akéhokoľvek materiálu nachádzajúceho sa v jeho blízkosti.

Hodnotenie celistvosti sa všeobecne robí na základe nasledujúcich troch stavov porušenia kritéria celistvosti:

trhlín alebo otvorov presahujúcich určené medze;
vznietenia bavlneného vankúšika;
trvalého horenia plameňom na nenamáhanej strane.

Klasifikácia celistvosti závisí od toho, či sa prvok klasifikuje alebo neklasifikuje aj z hľadiska izolácie. Ak sa klasifikuje z hľadiska celistvosti E aj izolácie I, hodnota pre klasifikáciu celistvosti sa určí ktorýmkoľvek z troch stavov porušenia kritéria celistvosti podľa toho, ktorý stav nastal prvý. Ak sa prvok klasifikuje z hľadiska celistvosti E, ale nie z hľadiska izolácie I, hodnotu pre klasifikáciu celistvosti určuje čas do porušenia kritéria celistvosti dosiahnutím stavu trhliny/otvory alebo stavu trvalého horenia plameňom podľa toho, ktorý stav nastal ako prvý.

Posúdenie celistvosti niektorých prvkov si vyžaduje doplnkové merania alebo celistvosť nemusí byť určená ani podľa jedného z troch kritérií uvedených v predošlom odseku. Metodika sa pre tieto prípady určuje v špecifických skúšobných normách.

1.3 Kritérium tepelnej izolácie – `I`

Tepelná izolácia I je schopnosť prvku konštrukcie odolávať požiaru pôsobiacemu len z jednej strany bez prenosu požiaru ako dôsledku významného prechodu tepla z namáhanej strany na nenamáhanú. Prechod tepla musí byť obmedzený tak, aby sa ani nenamáhaná strana ani nijaký materiál v jej tesnej blízkosti nevznietili. Prvok musí poskytovať aj zábranu proti šíreniu tepla dostatočnú na ochranu ľudí v jeho blízkosti.

Ak sa prvok konštrukcie hodnotí pri rozličných úrovniach tepelných vlastností viacerých diskrétnych plôch, jeho klasifikácia ako celku sa určí na základe najkratšieho času, počas ktorého sa dodrží kritérium obmedzenia vzrastu maximálnej teploty aj kritérium obmedzenia vzrastu priemernej teploty na ktorejkoľvek diskrétnej ploche.

Pre všetky deliace prvky okrem dverí a uzáverov sa za medzný stav na určenie tepelnej izolácie považuje vzrast priemernej teploty na nenamáhanom povrchu, obmedzený na 140 °C nad začiatočnú priemernú teplotu, pričom vzrast maximálnej teploty v ktoromkoľvek bode je obmedzený na 180 °C nad začiatočnú priemernú teplotu.

1.4 Kritérium radiácie – `W`

Radiácia W je schopnosť prvku konštrukcie odolávať požiaru pôsobiacemu len z jednej strany a znížiť pravdepodobnosť prenosu požiaru ako dôsledku vyžiareného tepla významnej hodnoty buď cez prvok, alebo z jeho nenamáhanej strany na materiály ležiace v jej blízkosti. Prvok môže byť potrebný aj na ochranu ľudí v okolí. Prvok, ktorý spĺňa kritériá tepelnej izolácie I, h alebo I₂, súčasne sa považuje za schopný vyhovieť aj požiadavke W v tom istom časovom intervale.

Porušenie kritéria celistvosti stavom „trhliny a otvory presahujúce určené medze“ alebo stavom „trvalé horenie plameňom na nenamáhanej strane“ znamená automaticky porušenie kritéria radiácie. Prvky, pri ktorých sa hodnotí radiácia, sa označia pridaním „W“ ku klasifikácii (napr. EW, REW). Pre také prvky je klasifikácia daná časom, v priebehu ktorého maximálna hodnota radiácie meraná podľa skúšobnej normy nepresiahne 15 kW/m². V klasifikačnom protokole sa uvedie závislosť hodnoty radiácie od času na celý čas požiarnej odolnosti.

1.5 Normová krivka teplota/čas (požiar po objemovom vzplanutí)

Rôzne úrovne tepelného pôsobenia, vyjadrujú rozdielne požiarne scenáre, ktoré predpisujú ich prevod do praktických skúšok, udávajú tolerancie pre ich aplikáciu. Existujú aj iné teplotné krivky ako to uvádza Oravec [5] napríklad uhľovodíková krivka a krivka pre extrémne požiarne scenáre (napríklad cestné tunely, jadrové prevádzky) ktorými sa môžu stanoviť prísnejšie dohodnuté kritériá. Najstaršia a najznámejšie a najpoužívanejšia teplotná krivka je normová krivka teplota/čas (požiar po objemovom vzplanutí), ako vzťah k reálnemu požiaru je znázornený na obr. 1 a ideálny priebeh na obr. 2. Keď sa ako východisko pre skúšanie použije normová závislosť teplota/čas, má byť aplikovaná na celé trvanie skúšky. Závislosť, ktorá je modelom úplne rozvinutého požiaru v priestore, je daná vzorcom (1). Ďalšie podrobnosti týkajúce sa praktického uplatnenia tejto krivky a ostatných skúšobných parametrov, napríklad tolerancií, sa udávajú v EN 1363-1 [8].

T = 345 log₁₀ (8 t + 1) + 20 (1)

kde

t: – čas od začiatku skúšky v minútach [min];
T: – priemerná teplota v peci [°C].

Obr. 1 Vzťah normovej krivky teplota/čas (požiar po objemovom vzplanutí) k reálnemu požiaru

Obr. 2 Priebeh krivky teplota/čas (požiar po objemovom vzplanutí) priebeh podľa vzorca (1)

2.0 Typy konštrukčných systémov

2.1 Stĺpikový konštrukčný systém

Obr. 3 Skladba steny rámovej konštrukcie zo zložených prierezov – I profilov

Základom súčasného štandardného stĺpikového konštrukčného systému je štandardný systém rámovej konštrukcie odvodený od two-by-four systému. Aby sa zvýšil tepelný odpor steny a prerušili tepelné mosty, obkladá sa vonkajšia strana kontaktným tepelnoizolačným systémom alebo tepelnou izoláciu s vytvorením odvetranej medzery. Z interiérovej strany možno pridať ďalšiu tepelnoizolačnú vrstvu hrúbky až do 80 mm, ktorá zároveň slúži ako inštalačná vrstva (pozri obr. 3).

Pre pasívne domy sa požadovaná hrúbka tepelnej izolácie pohybuje od 280 mm a viac. Aby sa ušetril materiál a aby sa vylúčili tepelné mosty, používajú sa namiesto masívnych drevených profilov profily tvaru I a profily skriňového prierezu, ktorých vnútro sa vypĺňa tepelnou izoláciou. Profily zloženého prierezu sú taktiež výhodnejšie z hľadiska statiky a z hľadiska deformácie.

Aplikácia tenkostenných nosníkov zažíva v poslednom období renesanciu zásluhou priemyselne vyrábaných nosníkov zo stenou z dosiek z orientovaných triesok (OSB). Okrem spomenutých dosiek OSB technickej triedy 3 a 4 sa ako steny uplatnia aj tvrdé drevovláknité dosky technickej triedy HB.HLA2 a MBH.LA2. Preglejka sa v súčasnosti do stien nosníkov nepoužíva z ekonomických dôvodov.

Pásnice nosníkov sa realizujú z masívneho dreva alebo konštrukčného lepeného dreva (KVH).

Obr. 5 Spôsob spájania jednotlivých prvkov viacpodlažnej drevostavby [2]

Obr. 4 Vplyv styku oplášťovania – hrúbky medzery na odhorievanie nosných čas [2]

Rizikom pri tejto konštrukcii sú prierezy stĺpikov. Požiarna odolnosť každej konštrukcie (na zachovanie všetkých medzných stavov) je daná dvomi v podstate samostatnými spôsobmi. Oplášťovaním a nosnou konštrukciou. Oplášťovanie svojou skladbou zrejme bude vyhovovať na požiarnu odolnosť. Po prehorení plášťa otvorí sa nosná konštrukcia stĺpiku malých prierezov, ktoré môžu ľahšie prehorieť, stráca sa stabilita. Aj pri skúške na požiarnu odolnosť môže nastať tento jav. Štúdie Buchanana [2] ukazujú na riziká odhorievania nosných prvkov a zmenšovania ich prierezu. Je zaujímavé, že aj malé netesnosti môžu spôsobiť rýchle odhorievanie (pozri obr. 4). Pri riešení nosnej konštrukcie pri viacpodlažných budovách je potrebné sa zaoberať priešením tepelných mostov. Aj keď je konštatované, že pri tomto systému sa a prerušili tepelné mosty, musíme o to dbať vo všetkých smeroch. Určité riešenia sú navrhnuté na obr. 5 a 6.

Obr. 6 Detail spoja stropného nosníka [1]

Pri tomto systéme okrem konštrukčného riešenia sa vyskytuje aj „materiálový“ problém. Ak nosná konštrukcia bola s rastlého dreva alebo drevených lepených prvkov, tu sa jedná o nosnú konštrukciu nosníkov s OSB dosiek, ktoré inak reagujú na požiar a majú aj iné požiarnotechnické vlastnosti [3, 4]. Na prvý pohľad pozitívna informácia, zapaľujú sa neskôr, hneď však nasleduje rad negatívnych informácií: majú vyššiu výhrevnosť, veľmi ťažko sa hasia, aj po uhasení sa ľahko znovu rozhoria a pod. Pri týchto konštrukciách bude nevyhnutné vykonať testy na požiarnu odolnosť v certifikovanej inštitúcii. Pri stavbe je nutné dôsledne dbať na kvalitu vykonaných prác ako aj o aplikáciu samohasiacich alebo iných protipožiarnych systémov a opatrení.

2.2 Panelový konštrukčný systém

Z hľadiska statického pôsobenia, tepelnoizolačných vlastností a vzduchotesnosti platia tie isté konštrukčné zásady ako pre stĺpikové konštrukcie. Aby sa dosiahol pasívny štandard, treba ešte dôslednejšie dbať na prerušenie tepelných mostov a dostatočnú hrúbku izolácie.

Z protipožiarneho hľadiska sa dá predpokladať sériová výroba panelov, odskúšaných na požiarnu odolnosť. Pri zachovaní kvality vstupných materiálov jediný problém sú miesta styku panelov, konštrukcia týchto stykov a vlastné prevedenie. Kvalita styku panelov odhalí slabé miesto stavby a to nie len z protipožiarneho hľadiska. Odskúšanie stykov panelov nie je ani požiadavkou na odskúšanie požiarnej odolnosti, hoci by sa malo odporúčať a skúšky by priniesli nové poznatky o chovaní sa konštrukcie a použitých materiálov.

2.3 Konštrukčný systém z kompozitných tvaroviek

Obr. 7 Konštrukčný systém z modulov na báze OSB–dosky vyplnený minerálnou vlnou

Obr. 8 Skladba steny z kompozitných tvaroviek s vonkajšou prídavnou tepelnou izoláciou v roštoch

Obr. 8 Skladba steny z kompozitných tvaroviek s vonkajšou prídavnou tepelnou izoláciou v roštoch

Základom tohto stavebnicového konštrukčného systému je tvarovka, ktorá na základe určeného modulu koordinácie vytvára priestorový systém nosných stien, vodorovných prvkov a strechy. Systém okrem prenášania vodorovných síl zabezpečuje priestorovú tuhosť a stabilitu stavby, čo je zabezpečené špeciálnym riešením spojov i dodatočnými výstuhami. Nízka hmotnosť tvaroviek umožňuje rýchlu montáž bez použitia špeciálnej techniky.

Rozmery tvaroviek umožňujú vyplniť dutinu tepelnou izoláciou potrebnej hrúbky na báze minerálnej vlny, recyklovaného papiera, korku a podobne. Montáž nevyžaduje zložité mechanické a dopravné prostriedky, je efektívna a rýchla. Potrebná hrúbka tepelnej izolácie sa dosiahne jednak hrúbkou izolačnej výplne, jednak obojstranným obkladom.

Požiarnu odolnosť v tomto prípade udáva skladba plášťa a jeho celistvosť. Pri prerušení plášťa a preniknutí požiaru do tvaroviek nastáva problém z hasením. Je potrebné uvažovať, že samotné hasiace práce môžu porušiť aj tvarovky nezasiahnuté požiarom. Je potrebné v tejto stavbe uvažovať o dobrom plášti a protipožiarnych systémoch aby požiar bol likvidovaný vo svojom zárodku a nemuseli sa vykonať hasiace práce väčšieho rozsahu.

Obr. 9 Skladba steny konštrukcie z masívu a lepeného dreva

2.4 Obvodový plášť s nosnou vrstvou z lepeného dreva

Perspektívnym a trendovým riešením obvodového plášťa pre NED a pasívne budovy sú masívne prvky z lepeného lamelového dreva, alebo krížom lepeného dreva. Vrstva lepeného dreva na interiérovej strane plní hlavne nosnú funkciu. Vrstva tepelnej izolácie sa pridáva smerom do exteriéru spolu s ostatnými vrstvami konštrukcie. Takýmto usporiadaním vrstiev možno eliminovať tepelné mosty vznikajúce v miestach napojenia obvodovej steny so stropom a strešným plášťom. Vrstva lepeného dreva má aj lepšie akumulačné vlastnosti, ktoré priaznivejšie vplývajú na kolísanie vnútornej klímy. V neposlednom rade netreba zabudnúť na estetickú hodnotu lepeného dreva, pri ktorom možno eliminovať jeho viditeľné chyby ako sú hrče, praskliny a podobne.

Lepené drevo z protipožiarneho hľadiska sa javí ako lepšie po stránke materiálovej. Pri požiari sa inak správa, prípadné hasiace práce ho tak nepoškodia a škody tak môžu byť menšie a rekonštrukcia lacnejšia. Protipožiarnymi skúškami bolo zistené, že najlepšie je päťvrstvé, nakoľko pri trojvrstvom sa nemuselo splniť kritérium požiarnej odolnosti – celistvosť.

Záver

Drevostavba, ako každá stavba, je pretvorením myšlienky, či umeleckého cítenia architekta do reálneho diela s cieľom čo najdlhší čas slúžiť svojmu užívateľovi. Podľa účelu stavby je volený materiál. Jedným z klasických a dá sa povedať prvých stavebných materiálov je drevo. Drevo je stavebným materiálom, ktorý sa dá pomerne jednoducho opracovať, má dostatočnú pevnosť a na rozdiel od iných materiálov je materiálom prírodným, ktorý človeku vytvára pozitívnu psychosomatickú klímu.

Ak máme byť objektívny – každý materiál má svoje pozitíva i negatíva. Negatívne vlastnosti dreva sú hlavne nízka biologická odolnosť a schopnosť dreva zapáliť sa a horieť. Tieto negatívne vlastnosti však sú aj nie sú dané drevom. Je to vždy vzťah drevo a človek. Drevo bioticky nedegraduje ak človek vytvára mikroklímu, ktorá je vhodná pre jeho život, a ktorá je „vhodná aj pre život dreva“. Ak sa o drevo nestará, nevytvára pozitívnu mikroklímu, drevo vlhne a bioticky degraduje. Tak je to aj s reakciou na oheň, so schopnosťou zapáliť sa a horieť. Tak ako je to pri biotickej degradácii, tak je to aj pri horení dreva – ak si človek uvedomuje túto vlastnosť dreva, správa sa k nemu tak, aby odstránil riziká vzniku požiaru, drevo dokáže slúžiť a plniť funkciu, ktorú od neho očakáva užívateľ [6].

Eliminovať negatívne vlastnosti dreva je možné viacerými spôsobmi. Musíme tieto spôsoby hľadať a na základe legislatívnych predpisov a technických riešení čo najviac eliminovať. Je len na architektoch, projektantoch a investoroch, aby aj z dreva vedeli stavať stavby bezpečne a tak využívať celú škálu pozitívnych vlastností dreva a materiálov na báze dreva [6].

Literatúra

[1] BENÁK, J.: Požární odolnost konstrukcií – řešení v dřevostavbách – prezentácia PowerPoint, 2008
[2] BUCHANAN, A.: Structural design for fire safety, West Sussex : John Wiley & Sons Ltd. 2001, ISBN 0471-89060-X
[3] ČESELSKÁ, T. NETOPILOVÁ M.: Návrh dřevěných konstrukcí na účinky požáru. In Bezpečnost stavebních objektů 2007. Ostrava: VŠB–TUO, Fakulta bezpečnostního inženýrství, 2007, s. 44–54. ISBN 978-80-7385-001-2
[4] NETOPILOVÁ, M.: Materiály – Stavební materiály. VŠB-TUO, FBI, Ostrava, 2004, ISBN 80-86634-27-2
[5] ORAVEC, M.: Posudzovanie rizík v cestných tuneloch. Košice: EQUILIBRIA 2008, ISBN 978-80-89284-19-1
[6] OSVALD, A.: Drevostavba ? požiar. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2011, 336 s. ISBN 978-80-228-2220-6
[7] RÁSTOCKÝ, Š.: Skúšanie požiarno-technických vlastností stavebných výrobkov. In. Wood and Fire Safety. Zvolen: Technická univerzita 2000, str. 112–141, ISBN 80-227-1357-0
[8] EN 1363-1: 2001 Skúšanie požiarnej odolnosti. – Časť 1: Základné požiadavky
[9] Kolb, J.: 2008 Dřevostavby, Systémy nosných konstrukcí, obvodové pláště. Praha: Grada 2011 ISBN 978-80-247-2275-7

English Synopsis

Wooden buildings in the current low energy building construction in terms of fire safety

Modern construction system for low energy building, passive and zero standard or energy-autonomous buildings and increased popularity of solid wood construction means interventions into the very structure, its statics, building physics, as well as fire protection properties. Some prototype design solutions are not proven, whether tested, by trustworthy computing analysis nor verification of long-term use of the building.