Alternativní postupy zjišťování a hodnocení reakce na oheň pro fasády
Článek je zaměřen na hodnocení požární uzavřenosti obvodových stěn a je rozdělen na dvě části – současný stav poznání a experimentální část. Současný stav poznání shrnuje metody pro hodnocení požární uzavřenosti obvodových stěn – výpočetní metody (hustoty tepelného toku, množství uvolněného tepla, matematické modelování) a požární zkoušky (kónická kalorimetrie, zkouška třídy reakce na oheň fasád a zkouška požární odolnosti). Experimentální část navazuje na současný stav poznání a je rozdělena na dva experimenty – zkouška v kónickém kalorimetru a alternativní zkouška požární odolnosti.
Úvod
Požární uzavřenost je důležitým parametrem pro stanovení požárně nebezpečného prostoru objektu, v kterém dochází ke zvýšení možnosti rozšíření požáru. Hrozbu nepředstavuje pouze samotný plamen, ale především množství a velikost tepla dopadajícího na hořlavé materiály. Pokud je hořlavý materiál vystaven teplotě vzplanutí, existuje riziko rozšíření požáru. Proto je nežádoucí v tomto prostoru umisťovat jiné stavby, a to především části obvodových konstrukcí s požárně otevřenými plochami (tj. okny, dveřmi). Konstrukce klasifikovaná jako požárně uzavřená plocha musí splnit hodnotu požadované požární odolnosti a nesmí obsahovat jiný druh konstrukční části, než jaká je stanovena normou [1].
Samotné konstrukční části druhu DP1 a DP2 ze své definice nezvyšují intenzitu požáru při stanovené požární odolnosti [2], a lze je hodnotit jako požárně uzavřenou plochu. Pokud má konstrukce druhu DP1 nebo DP2 např. kontaktní zateplovací systém s hořlavým izolantem nebo dřevěný obklad, je požární uzavřenost stanovena výpočtem množství uvolněného tepla Q. U konstrukce druhu DP3 tento výpočet použít nelze a je nutné zhodnotit podrobněji hustotu tepelného toku I. Zkušební metodika stanovení požární uzavřenosti konstrukcí druhu DP3 není přesně stanovena, lze použít podrobnější výpočet, matematický model nebo požární zkoušku.
Obvodové stěny můžeme klasifikovat jako požárně uzavřenou plochu, částečně nebo zcela požárně otevřenou plochu. U většiny skladeb je specifikace požární uzavřenosti provedena porovnáním stanovených hodnot hustoty tepelného toku nebo množství uvolněného tepla s mezními normovými hodnotami (tab. 1).
| Specifikace požární uzavřenosti | I [kW.m−2] | Q [MJ.m−2] |
|---|---|---|
| požárně uzavřená plocha | I ≤ 15 | Q ≤ 150 |
| částečně požárně otevřená plocha | 15 < I ≤ 60 | 150 < Q ≤ 350 |
| zcela požárně otevřená plocha | I > 60 | Q > 350 |
Stanovení požární uzavřenosti výpočtem
a)
b)
Obr. 1 a) konstrukce druhu DP2; b) konstrukce druhu DP3;
POP – požárně otevřená plocha; PUP – požárně uzavřená plocha
Klasifikaci požární uzavřenosti lze provést numerickým výpočtem nebo matematickým modelem. Pro hodnocení obvodových stěn druhu DP1 a DP2 (s kontaktním zateplením s hořlavou tepelnou izolací, příp. dřevěným obkladem, viz obr. 1a) se používá jednodušší výpočet – množství uvolněného tepla z hořlavých hmot. U konstrukčních částí druhu DP3 (obr. 1b) se používá výpočet hustoty tepelného toku nebo požární zkouška.
Množství uvolněného tepla
Klasifikace požární uzavřenosti pomocí výpočtu množství uvolněného tepla je závislá na plošné hmotnosti a výhřevnosti použitých hořlavých materiálů. Do výpočtu jsou zahrnuty všechny hořlavé výrobky umístěné na vnějším povrchu obvodové stěny [1] dle následujícího vztahu:
[MJ.m−2]
kde Mi je plošná hmotnost i-tého hořlavého výrobku v kg.m−2, Hi výhřevnost hořlavého výrobku v MJ.kg−1, di tloušťka i-té vrstvy hořlavého výrobku v m, ρi objemová hmotnost i-té vrstvy hořlavého výrobku v kg.m−3 a j počet hořlavých výrobků.
Hustota tepelného toku
Zejména u konstrukcí obvodových stěn druhu DP3 lze použít výpočet hustoty tepelného toku, který je závislý na čtvrté mocnině teploty, kterou lze definovat např. pomocí nominálních teplotních křivek (např. normová teplotní křivka nebo křivka vnějšího požáru). Výpočet lze ve zjednodušené formě použít u všech konstrukčních druhů dle následujícího vztahu [1]:
[kW.m−2]
kde ε je emisivita (předpoklad ε = 1,0), σ Stefan-Boltzmannova konstanta (5,67.10−8 W.m−2.K−1) a TN teplota plynů na hodnoceném povrchu ve °C.
U dřevostaveb z konstrukcí druhu DP3 (např. srubových objektů) lze využít i efektivnější zhodnocení požární otevřenosti, příp. uzavřenosti obvodových stěn. V tomto případě lze zohlednit hodnotu radiačního podílu z celkového uvolněného tepla např. 50 % [3]:
[kW.m−2]
kde v je rychlost odhořívání hmoty [kW.m−2.s−1] a H výhřevnost hořlavého výrobku [MJ.kg−1].
Matematické modelování
Matematické modely využívají výpočetní techniku a řeší jednotlivé požární scénáře souborem rovnic. Výsledky lze použít pro předpověď chování skutečných požárů. Modely dělíme do dvou skupin: modely pravděpodobnostní a deterministické. Pravděpodobnostní matematické modely vycházejí z teorie pravděpodobnosti, kdy se rozvoj požáru popíše řadou náhodných událostí a stavů závislých v čase [4]. Pravděpodobnostní modely se rozdělují na síťové a statistické modely. Deterministické matematické modely předpovídají rozvoj požáru a procesů s ním spojených na základě řešení matematických rovnic popisujících fyzikální a chemické děje při požáru [4]. Při tvorbě modelu jsou specifikovány požární scénáře. Deterministické modely se dělí na zónové modely a modely typu pole, (tzv. CFD modely, které simulují proudění tekutin a plynů, přenos tepla a hmoty [5]).
Obr. 2 a) Kónický kalorimetr
Obr. 2 b) Zkouška středního rozměru reakce na oheň fasády s EPS
Obr. 2 c) Zkouška požární odolnosti ve stěnové peci
V oblasti požární bezpečnosti jsou pokročilé aplikace nejvíce používány CFD modely, do kterých lze pro účely hodnocení požární otevřenosti mj. vložit radiometr. Radiometr měří hodnoty tepelného toku, které je možné porovnávat s mezními hodnotami hustoty tepelného toku a určit tak požární uzavřenost.
Stanovení požární uzavřenosti požární zkouškou
Požární uzavřenost obvodových stěn nelze stanovit přímo žádnou požární zkouškou. V případě požárních zkoušek záleží na požadavcích národních norem. Z České republice není metodika zkoušení blíže specifikována. Možností by mohla být zkouška kónickým kalorimetrem nebo modifikovaná zkouška třídy reakce na oheň fasád. Pro nepřímé stanovení lze také použít zkoušku požární odolnosti.
Kónická kalorimetrie
Kónická kalorimetrie je malorozměrová zkouška pro stanovení požárně-technických charakteristik [6]. Hlavní veličinou měřenou u této zkoušky je rychlost uvolňování tepla z koncentrace kyslíku ve zplodinách hoření za předpokladu, že velikost uvolněného tepla je přímo závislá na spotřebě kyslíku.
Vzorek 100 × 100 mm o maximální tloušťce 50 mm je umístěn do upevňovacího rámečku a následně pod zapnutý tepelný zářič v kónickém kalorimetru (obr. 2a). Mezi vzorek a zářič je umístěn jiskrový zapalovač. Jakmile dojde k vzplanutí vzorku, zapalovač se vypne a odstraní. V případě zahoření vzorku trvá test max. 32 minut, pokud nedojde k zapálení vzorku je délka zkoušky 30 minut. Výsledné hodnoty uvolněného tepla je možné porovnat s mezními hodnotami a stanovit požární uzavřenost. Snahou jednoho z experimentů bylo potvrzení této teorie (viz dále).
Zkoušky reakce na oheň
Reakce na oheň fasád nebo opláštění je hodnocena v případě, kdy je zkoušený povrch vystaven plamenům dopadajících na přední stranu fasády [7]. Máme dva druhy zkoušek – zkoušku středního rozměru a zkoušku velkého rozměru. Zkoušen je vzorek koutu obvodové stěny, kde je účinek požáru nejvyšší (obr. 2b). Rozdíl zkoušky středního a velkého rozměru je v požárním scénáři a velikosti zkoušeného vzorku.
V rámci zkoušky reakce na oheň je měřen tepelný tok pomocí radiometru instalovaného nad zkušební vzorek. Při zkoušce není měřen tepelný tok v líci stěny, jak uvažuje při početním hodnocení norma [1], tj. jedná se o jinou hodnotu tepelného toku. Zatím není zřejmé jak zajistit přímé měření tepelného toku na lící hořícího povrchu, jelikož radiometry nejsou uzpůsobeny pro měření při tak vysokých teplotách. Alternativou by mohl být výpočet hustoty tepelného toku pomocí Stefan-Boltzmannova zákona s dosazením naměřených teplot na líci hořícího povrchu.
Zkouška požární odolnosti
Požární odolnost je výchozí předpoklad pro to, aby bylo možné uvažovat o stěně jako požárně uzavřené ploše. Zkouška požární odolnosti se provádí v požárních pecích za účinku teplot plně rozvinutého požáru na vzorcích obvykle 3 × 3 m (obr. 2c). Pro určení požární uzavřenosti je obvodová stěna umístěna vnějším povrchem dovnitř pece. Vzorek je zkoušen na účinek vnějšího požáru podle křivky vnějšího požáru, která má omezenou teplotu vlivem ochlazování vnějším prostředím. Požární uzavřenost, příp. otevřenost lze stanovit výpočtem hustoty tepelného toku s dosazením na místo teploty plynů naměřené teploty např. pod ochranným obkladem.
Zkouška dřevovláknité desky s omítkou v kónickém kalorimetru
Při experimentu v kónickém kalorimetru byla zkoušena omítnutá dřevovláknitá deska, tedy vnější část skladby, která je používána u obvodových stěn dřevostaveb a u které by se požární uzavřenost dala předpokládat. Hlavní měřenou veličinou byla rychlost uvolňování tepla, kde měření je prováděno z koncentrace kyslíku ve zplodinách hoření za předpokladu, že velikost uvolněného tepla je přímo závislé na spotřebě kyslíku [6].
Pro experiment bylo vyrobeno 6 vzorků skládajících se z tuhé dřevovláknité desky tl. 20 mm a tenkovrstvé cementové omítky o tloušťce cca 5 mm. Vzorek byl umístěn pod tepelný zářič do upevňovacího rámečku. Pro tepelný zářič byla zvolena hustota tepelného toku 50 kW.m−2. Při zkoušce došlo k zahoření vzorků (obr. 3a) a překročení mezních hodnot rychlosti uvolňování tepla (obr. 3b) nad 15 kW.m−2. Vnější část skladby obvodové stěny byla na základě výsledků zkoušky klasifikována jako částečně požárně otevřená plocha. Samotná zkouška není svým požárním scénářem zcela odpovídající pro určení požární uzavřenosti dle [1], ale mohla by sloužit jako srovnávací pro definování středně nebo velkorozměrové zkoušky.
a)
b)
Obr. 3 a) zahoření zkušebního vzorku; b) graf rychlosti uvolňování tepla
Alternativní zkouška požární uzavřenosti
Při druhém experimentu, který se zabýval alternativní zkouškou požární uzavřenosti, byla navržena požární pec o půdorysných rozměrech 1,2 × 0,8 m a výšce 1 m ve dvojím provedení (obr. 4) – referenční pec z nehořlavého materiálu a pec hořlavým obkladem (OSB deskou). Pro navržené zkoušky byly vytvořeny matematické CFD modely, při kterých byly použity materiály a parametry odpovídající jednotlivým zkouškám. Pro matematické simulace byla použita verze softwaru FDS 6.5.2 a vizualizační program SMV 6.4.0 Smokeview, kdy vstupy jsou zapsány ve formě zdrojového kódu a výstupem je soubor v tabulkovém editoru a grafický model [8].
a)
b)
c)
d)
e)
Obr. 4 a) Půdorys zkušební pece; b) řez zkušební pece; c) pec s nehořlavými materiály při požární zkoušce; d) pec s hořlavým obkladem (OSB deskou) při požární zkoušce; e) matematický model zkušební pece
Uvnitř navržené pece byl instalován plynový hořák a jeho výkon byl nastaven tak, aby teplota v místě okenního otvoru odpovídala přibližně nominální křivce vnějšího požáru. V čelní straně obvodového pláště byl navržen otvor s možností prošlehnutí plamene. Při zkoušce byly měřeny teploty uvnitř pece a teploty z vnější strany u otvoru a dále tepelný tok pomocí radiometrů. Stejná poloha měřicích zařízení byla definována i do matematických modelů.
Z požárních zkoušek a matematických modelů byly porovnány simulované teploty uvnitř a vně pece a tepelný tok na předem určených pozicích (nad a před okenním otvorem). Měřené teploty a teploty v matematických modelech jsou srovnány na obr. 5. V případě referenční pece u experimentu je průběh teplot srovnatelný s křivkou vnějšího požáru s odchylkou okolo 5 %. U pece s hořlavým obkladem byla očekávána teplota u nadpraží vyšší z důvodu hoření obkladu, ale v závislosti na nepředvídatelném průběhu zkoušky je teplota značně proměnná. K prudšímu nárůstu teploty dochází v 7,5. minutě po zahoření OSB desky. Ke zvyšování teploty dochází do cca 12. minuty. V 12. a v 17. minutě dochází k poklesu teploty z důvodu uvolnění fixace termočlánků v nadpraží. Termočlánky se posunuly pod nadpraží otvoru, kde byly nižší teploty. U matematických modelů je průběh teplot v nadpraží totožný, i přes zahoření OSB desky. Důvodem by mohlo být umístění termočlánků 0,001 m pod hranu nadpraží.
![Obr. 5 Porovnání teplot u nadpraží otvoru v čelní stěně pece: a) při požárních zkouškách [8]](/docu/clanky/0183/018325o48.jpg)
a)
![Obr. 5 Porovnání teplot u nadpraží otvoru v čelní stěně pece: b) u matematických modelů [8]](/docu/clanky/0183/018325o49.jpg)
b)
Obr. 5 Porovnání teplot u nadpraží otvoru v čelní stěně pece: a) při požárních zkouškách; b) u matematických modelů [8]
Značný rozdíl byl zaznamenán u porovnání hustoty tepelného toku mezi u radiometrů v požárních zkouškách (obr. 6). U referenční pece je hustota tepelného toku měřena pouze pro plamen z hořáku, zatímco u pece s hořlavým obkladem se jedná o hodnoty získané kombinací tepla z hořáku a hořením OSB desky. V případě radiometru R_1 se jedná o rozdíl v rámci 1 až 2 kW.m−2. U radiometru R_2 je rozdíl o něco vyšší, rozdíl hodnot je 2 až 5 kW.m−2.
![Obr. 6 Porovnání hustoty tepelného toku při požární zkoušce: a) u radiometru R_1 [8]](/docu/clanky/0183/018325o50.jpg)
a)
![Obr. 6 Porovnání hustoty tepelného toku při požární zkoušce: b) u radiometru R_2 [8]](/docu/clanky/0183/018325o51.jpg)
b)
Obr. 6 Porovnání hustoty tepelného toku při požární zkoušce: a) u radiometru R_1; b) u radiometru R_2 [8]
Cílem experimentu bylo navrhnout zkoušku pro určení požární uzavřenosti obvodových konstrukcí. Klasifikace požární uzavřenosti se stanovuje pomocí hustoty tepelného toku na hořícím povrchu. Pro měření tohoto parametru není v současnosti zařízení. Zároveň není stanovená ani metodika zkoušení tohoto parametru. Samotné zkoušení požární uzavřenosti pomocí normových zkoušek, např. zkouškou reakce na oheň fasád středního rozměru, by se muselo pro určení požární zavřenosti modifikovat. Jednou z možností by mohlo být měření teplot na hořícím povrchu a následný výpočet hustoty tepelného toku v závislosti na čase.
Závěr
Pro určení požární uzavřenosti, resp. otevřenosti obvodových stěn staveb lze využít numerické výpočty, případně matematické modelování. Pro hodnocení pomocí požárních zkoušek není stanovena přímá zkušební metodika. Lze využít požadavku v normě a použít zkoušku požární odolnosti. Tato zkouška je však finančně náročná a pro samotné určení požární uzavřenosti se příliš nepoužívá. První alternativou je použití zkoušky v kónickém kalorimetru, při které je měřena rychlost uvolňovaného tepla. Dále je možné využít zkoušku reakce na oheň fasád. Tato zkouška by se musela pro potřeby stanovení požární uzavřenosti modifikovat, ale zatím není zřejmé jakým způsobem. Jednou z možností by mohla být alternativní zkouška požární uzavřenosti, při které jsou porovnány výsledky požárních zkoušek s pecí bez hořlavého materiálu a pece s hořlavým obkladem. Tato navržená zkouška by se musela dále modifikovat.
Poděkování
Tento článek vznikl za podpory projektu Univerzitního centra energeticky efektivních budov (OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091). Vzorky pro experiment v kónickém kalorimetru poskytla firma TFH dřevěné skeletové domy s.r.o.
Použitá literatura
- ČSN 73 0802. Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty; Z1 (2013); Z2 (2015). Praha: ÚNMZ, 2009.
- ČSN 73 0810. Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení. Praha: ÚNMZ, 2016.
- POKORNÝ, M.: Požární bezpečnost staveb – Sylabus pro praktickou výuku. Praha: ČVUT v Praze, 2014. ISBN 978-80-01-05456-7.
- KUČERA, P.; PEZDOVÁ, Z.: Základy matematického modelování požáru. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2010. ISBN 978-80-7385-095-1.
- HIRSCH, CH.: Numerical computation of internal and external flows – The fundamentals of computational fluid dynamics. Oxford (UK): Butterworth-Heinemann, 2007. ISBN 978-0-7506-6594-0.
- NAJMANOVÁ, H.; HEJTMÁNEK, P.; ŠEVČÍK, L.: Rychlost uvolňování tepla jako parametr pro hodnocení chování materiálů při požáru. Materiály pro stavbu. 2015, 4.
- HEJTMÁNEK, P.; POKORNÝ, M.: Požární hledisko kontaktních zateplovacích systémů dle ČSN 73 0810:2016. TZB-info. [Online] Topinfo s.r.o., srpen 2016. [Citace: 17. července 2017]. ISSN 1801-4399.
- KAŠOVÁ, K.: Diplomová práce – Alternativní postupy zjišťování a hodnocení reakce na oheň pro fasády. Praha. Fakulta stavební, ČVUT v Praze. 2017.
The article focuses on assessment of fire closure of external walls and is divided into two parts – a current state of knowledge and an experimental part. The current state of knowledge summarises methods for assessing the fire closure of external walls – calculation methods (heat flux density, heat release rate, mathematical models) and fire tests (cone calorimetry, reaction to fire test for facades or fire resistance test). The experimental part builds on the state of knowledge and is divided into two experiments – the test in a cone calorimeter and an alternative test of fire closure.