Nové poznatky v oblasti požární odolnosti vícepodlažních dřevostaveb

Úvod

V porovnání s konstrukcemi z tradičních stavebních materiálů byla do nedávna výzkumu a rozšiřování poznatků o chování dřevěných konstrukcí velkých rozměrů za požáru v ČR věnována malá pozornost. Mimo jiné to bylo dáno tím, že se ve srovnání s konstrukcemi z betonu a oceli nepoužívaly. V současnosti se tato situace v ČR začíná měnit a proto je třeba studiu chování dřevěných konstrukcí velkých rozměrů za požáru, zejména vícepodlažních dřevostaveb, věnovat zvýšenou pozornost.

Existuje celá řada vynikajících mezinárodních publikací o požární bezpečnosti vícepodlažních dřevostaveb. Například Nadace pro výzkum požární ochrany (Gerard et al. 2013) vytvořila dokument „Výzvy požární bezpečnosti vysokých budov ze dřeva“, který obsahuje rozsáhlý seznam literatury a případové studie moderních dřevostaveb po celém světě.

Dokument také poskytuje komplexní analýzu mezer v poznání a doporučení pro budoucí výzkum a testování, které jsou mimo jiné tyto:

• Požární testování nových a inovativních dřevěných a hybridních konstrukcí;
• Požární testování a modelovaní vysokých dřevěných konstrukcí a dřevostaveb;
• Testování přirozeného požáru na vysokých dřevěných konstrukcích a dřevostavbách;
• Ekonomická analýza pro kvantifikování výstavby, provozu a nákladů na vysoké dřevostavby;
• Důraz na efektivní komunikaci a vzdělávání v oblasti rizik.

Dřevostavby z hlediska jejich chování za požáru můžeme dělit na dva základní typy:

• Dřevostavby s masivní dřevěnou konstrukcí (těžký skelet či masivní desková konstrukce);
• Dřevostavby s lehkou/rámovou dřevěnou konstrukcí (lehký skelet).

Masivní dřevěné konstrukce zahrnují všechna použití velkorozměrných dřevěných prvků v budovách. Těžká dřevěná konstrukce je tvořena samostatnými nosnými prvky (trámy, sloupy, deskami nebo vazníky).

Lehké dřevěné konstrukce používají řezivo menších rozměrů (sloupky ve stěnách, nosníky ve stropech a desky na bázi dřeva či sádry a izolace).

Požární odolnost masivních dřevěných konstrukcí je dána rychlostí zuhelnatění dřeva použitých velkorozměrných dřevěných prvků, které mají vysokou požární odolnost. Provedené velkorozměrové zkoušky konstrukcí z křížem vrstveného dřeva CLT prokázaly jejich požární odolnost 120 minut. Podstatně komplikovaněji jsou na tom lehké dřevěné konstrukce, u kterých je požární odolnost dána požární odolností použitých plášťů a dále pak požární odolností vnitřního nosného rámu z deskového řeziva, či desek na bázi dřeva.

Použití dřeva ve vícepodlažních budovách

Na obr. 1 je schematicky znázorněn vývoj vícepodlažních dřevostaveb ve světě v posledních letech.

Obr. 1 Schematický vývoj tvaru a počtu podlaží realizovaných dřevostaveb

Murray Grove v Londýně (8 podlaží v roce 2009), Forté v Melbourne (10 podlaží v roce 2012), TREET v Bergenu (14 podlaží v roce 2015), Brock Commons ve Vancoveru (18 podlaží v roce 2017), HoHo ve Vídni (24 podlaží, bude dokončena v tomto roce).

Vedle toho existuje několik vizí extrémně vysokých dřevostaveb u kterých není zcela transparentní, jak budou ve skutečnosti provedeny. Jednou z těchto vizí je návrh mrakodrapu Oakwood Tower v Londýně (80 podlaží a výška 300 m). Konstrukce je navržena z mega-příhradových vazníků, jejichž sloupové prvky ze dřeva by měly mít rozměry 2,5 m × 2,5 m. Vnitřní stěny by potom měly mít tloušťku 1,75 m.

Mezinárodní asociace pro mosty a stavební inženýrství (IABSE) nedávno zveřejnila Dokument o stavebním inženýrství (SED) o používání dřeva ve vysokých vícepodlažních budovách (Smith a Frangi 2014). Dokument se zabývá obnovením zájmu o dřevo a výrobky na bázi dřeva jako primární stavební materiály pro relativně vysoké, vícepodlažní budovy. Celkový důraz je kladen na ucelené adresování různých otázek souvisejících s návrhem na základě užitných vlastností dokončených systémů, což odráží skutečnost, že hlavní mezery v know-how se týkají spíše návrhových konceptů, než technických informací o dřevu jako materiálu.

Zvláštní pozornost je věnována konstrukčnímu systému a otázkám trvanlivosti pro dosažení požadovaných užitných vlastností budovy po dobu její životnosti, která může trvat staletí. Dokument též popisuje koncept požární bezpečnosti pro vysoké budovy na základě scénáře, že obyvatelé nacházející se v horních částech budov nemohou odejít v průběhu požáru a požár nemůže být uhašen a bude pokračovat, dokud neshoří veškerý hořlavý materiál v požárních úsecích zasažených požárem. Na základě tohoto scénáře jsou požární požadavky na stavební prvky formulovány následovně:

• Dělicí prvky musí být navrženy způsobem, který podporuje úplné vyhoření, a tím zabraňuje nekontrolovanému šíření ohně do jiných částí budov po celou dobu trvání požáru.
• Nosné stavební prvky musí být navrženy tak, aby se zabránilo jejich konstrukčnímu kolapsu během úplného vyhoření bez zásahu hasičů.

Pro vysoké vícepodlažní dřevostavby proto kladou autoři důraz na koncept „zapouzdření“ dřevěné konstrukce a/nebo použití hybridních konstrukčních prvků (např. dřevo-betonových kompozitních desek).

V této souvislosti stojí za zmínku, že v minulém roce již byla připravena další část Eurokódu 5 zaměřená na navrhování dřevo-betonových kompozitních stropních konstrukcí, která má 57 stran a komplexně řeší jejich problematiku včetně provádění, konstrukčních detailů, trvanlivosti a zkoušení.

Požadavky na vysoké budovy ze dřeva

Současný zájem o vysoké budovy ze dřeva vedl k prvním studiím jejich proveditelnosti. Vancouverský architekt Michael Green (2012) vytvořil možné návrhy pro deseti, dvaceti a třiceti podlažní dřevostavby ve studii „Úlohy vysokých budov ze dřeva – Jak masivní dřevo nabízí bezpečnou, ekonomickou a ekologickou alternativu pro vysoké stavební konstrukce“.

Hlavním úkolem návrhu požární bezpečnosti je vytvořit takový návrh, aby dřevěná konstrukce mohla být ekvivalentní k nehořlavé konstrukci; to znamená dosáhnout „stejné úrovně užitných vlastností jako je uvedeno v přijatelných řešeních stavebních technických norem“. Toho lze dosáhnout v závislosti na sprinklerových systémech spolu s předvídatelnou rychlostí zuhelnatění masivního dřeva a zapouzdření, pokud je nezbytné.

Zpráva nedoporučuje návrh na kompletní vyhoření požárního úseku. Pokrývá možnost poruchy sprinklerů tím, že požaduje dvouhodinovou požární odolnost pro kritické konstrukční prvky. V extrémním případě se očekává, že „hasiči budou schopni potlačit požár předtím, než je dosaženo dvouhodinového trvání požáru“.

Národní požadavky na požární bezpečnost dřevostaveb

Výška či počet podlaží jsou pro budovy ze dřeva kritické všude ve světě a jsou omezeny příslušnými požárně bezpečnostními předpisy.

V tab. 1 je uveden přehled povoleného počtu podlaží ve vybraných zemích podle národních technických norem požární bezpečnosti.

Norsko sice nemá omezen počet podlaží dřevostaveb, ale běžně staví max. 8podlažní budovy. Tento maximální počet podlaží je totiž obecně pro vícepodlažní dřevostavby chápán jako akceptovatelný z hlediska více méně standardního požárního zásahu.

V případě realizace vysokých vícepodlažních budov nad rámec povoleného počtu podlaží se potom musí použít požárně inženýrský přístup (Performance based design – PBD), který však je v jednotlivých zemích různý.

S využitím požárně inženýrského přístupu v současnosti Norové staví výškovou budovu ze dřeva Mjøstårnet, viz obr. 2, která má být dokončena v tomto roce. Tato budova má 18 podlaží a výšku 81 m.

Obr. 2 Budova Mjøstårnet v Norsku

Budova má nosnou konstrukci na bázi těžkého skeletu (sloupy, nosníky a diagonály jsou z lepeného lamelového dřeva), viz obr. 2. Jádro pro výtahy a schodiště je z vrstveného dřeva CLT. Důvodem je snaha nekombinovat dřevěnou konstrukci se železobetonovým jádrem s ohledem na rozdílné chování obou materiálů.

Fasáda je z dřevěných prefabrikátů. Prvních 10 podlaží má stropní konstrukci z nosníků z lepeného lamelového dřeva a desek z vrstveného dřeva CLT. U zbývajících podlaží jsou použity nosníky z lepeného lamelového dřeva a železobetonové stropní desky. Při návrhu této budovy Norové použili parametrickou křivku teplota-čas a parametrickou rychlost zuhelnatění. Rychlost zuhelnatění lepeného lamelového dřeva též ověřovali požárními zkouškami. Výpočet požární odolnosti dřevěné konstrukce provedli podle EN 1995-1-2.

V budově navržený systém sprinklerů má zdvojené zásobování vodou.

Jednotný evropský či mezinárodní dokument zaměřený na požárně inženýrský přístup PBD zatím neexistuje.

Obecně lze říci, že při využití požárně inženýrského přístupu PBD můžeme, oproti normovým přístupům, dostat méně nákladné řešení. Ovšem v případě objektu z hořlavých stavebních konstrukcí nespočívá využití požárně inženýrského přístupu ve snaze dostat méně nákladné řešení, ale především v prokázání možného použití hořlavých stavebních výrobků. Posouzení pomocí požárně inženýrských metod musí být ovšem přinejmenším stejně bezpečné jako při použití normových postupů.

Postup požárně inženýrského přístupu je uveden v příloze I naší české technické normy ČSN 73 0802.

Podle této přílohy by měl požárně inženýrský přístup obsahovat 4 kroky:

1. kvalitativní analýzu,
2. kvantitativní analýzu,
3. posouzení výsledků analýzy podle kritérií přijatelnosti,
4. zaznamenání a prezentaci výsledků.

Kvalitativní analýza tvoří základ pro kvantitativní analýzu a je tvořena několika body.

V první řadě je nutné určit obecné cíle požární bezpečnosti a pro ně příslušná kritéria přijatelnosti, se kterými se porovnávají výsledky získané v kvantitativní analýze a určí se podle nich úspěšnost návrhu. Dále musí být v kvalitativní analýze uvedeny předepsané návrhové parametry, jako jsou například popis objektu a jeho technické vybavení, provoz objektu, vybavení požárně bezpečnostními zařízeními, charakteristika osob vyskytujících se v objektu a podobně. Dalšími kroky jsou vytvoření zkušebního návrhu požární bezpečnosti a volba návrhového požárního scénáře. Posledním bodem kvalitativní analýzy je výběr vhodné metody analýzy.

Zajištění bezpečí lidí ve vztahu k výšce budovy

Pro nízkopodlažní budovy může být bezpečí lidí dosaženo zaručením toho, že všichni obyvatelé mají čas na opuštění budovy. Jakmile všichni opustí budovu, může být přípustné, aby budova do základů shořela, to záleží na velikosti a hodnotě budovy a jejího obsahu.

Na opuštění budovy se nemůžeme spoléhat v případě vysokých budov s hodně lidmi žijícími nebo pracujícími nad požárním stropem. Pro budovy do 8 podlaží je tu možnost protipožárního zásahu a záchrany pomocí žebříků, ale obojí se stává velmi složité, jakmile výška budovy přesáhne 3 až 4 podlaží.

Čím je budova vyšší, tím se zvyšuje možnost výskytu ohně v horních podlažích a uvěznění lidí nad požárním stropem. Vysoké budovy vyžadují dlouhou dobu pro opuštění a mají pomalý vnitřní přístup pro hasiče. Je možné, že v budoucnu bude požadováno celkové zapouzdření budovy z důvodu dosažení požadavků na užitné vlastnosti pro budovy ze dřeva vyšší než 8 podlaží.

Pokud mají být lidé ve vysokých budovách v bezpečí, je nezbytné zadržet požár a předejít kolapsu budovy. Pokud je oheň nad výškou hasičských žebříků, musí být absolutní spolehnutí na požární odolnost pro kompletní vyhoření. Je tu také nebezpečí rozšíření vertikálního požáru.

Řešení této problematiky se proto v Evropě stává prioritou výzkumu.

S ohledem k uvedenému se dá předpokládat, že se požadavky s výškou budovy budou zvyšovat. Obecně by toto mohlo být založeno na hierarchii požadavků, viz tab. 2.

Úplné zapouzdření se zajišťuje dostatečnou tloušťkou sádrokartonových desek nebo jiných podobných výrobků pro zabránění zuhelnatění dřeva. Tím se zajišťuje stejná úroveň požární odolnosti jako pro úplně nehořlavé materiály. Bylo ověřeno, že dvě vrstvy sádrových desek posunou významně počátek zuhelnatění při vystavení normovému požáru. Velmi ale záleží na jejich tloušťce, detailech upevnění a typu sádrové desky.

Omezené zapouzdření je ekonomičtější řešení, které má hlavně zabránit přispění konstrukčního dřeva k rozvoji požáru.

Existuje též vrstvené zapouzdření, které se týká konstrukčních dřevěných prvků tvořených vrstvami dřeva a nehořlavých materiálů/výrobků. V některých případech to může být dřevěný prvek s omezeným zapouzdřením pokrytý přidanou dřevěnou vrstvou pro zlepšení vzhledu a požární odolnosti. Je mnoho vhodných odlišných kombinací materiálů, všechny však vyžadují další výzkum a testování.

Závěrem lze konstatovat, že problematika výšky budovy z hlediska její spolehlivosti je komplikovaná záležitost. V každém případě aktivní protipožární opatření, jako sprinklery, pomáhají redukovat závažné poškození budovy.

Pro velmi vysoké budovy lze přijmout i přístup:
„Velmi vysoké budovy mohou být navrhovány tak, aby byla velmi nízká pravděpodobnost šíření ohně do vyšších pater a velmi nízká pravděpodobnost kolapsu stavby, kdykoliv během trvání požáru nezávisle na tom, jestli může být požár kontrolován protipožárními službami a/nebo hasicími soupravami“. Tomu potom může být přizpůsoben návrh budovy formou splnění kritérií REI. Kdy u vysokých budov je požadována požární odolnost konstrukce až 200 minut.

Závěr

Současným cílem v Evropě je zpracovat jednotný požárně inženýrský přístup, založený na kritériích požární bezpečnosti/spolehlivosti staveb bez ohledu na hořlavost či nehořlavost použitých stavebních materiálů/výrobků. To znamená odstranit diskriminaci dřeva a materiálů/výrobků na bázi dřeva. Pro plnohodnotné uplatnění tohoto přístupu je však potřeba pokračovat v přípravě co nejdokonalejších podkladových materiálů pro projektanty a orgány státní správy.

Různá omezení v národních technických normách jednotlivých zemí Evropy se postupně odstraňují a to i v rámci procesu sjednocování norem v Evropě. Je to samozřejmě dlouhodobější a také citlivá záležitost, protože lidé mají zafiksováno, že dřevo hoří, což se negativně podepisuje na jejich pocitu bezpečí.

Za hlavní předpoklad pro zvýšení používaní dřeva v budovách tak můžeme považovat nastavení přiměřených požadavků na požární bezpečnost staveb ze dřeva v národních normách požární bezpečnosti.

Poděkování

Tento článek byl zpracován za podpory grantu TAČR TE02000077 „Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj“ a za podpory GS LČR.

Literatura

1. Gerard, R., Barber, D. and Wolski, A., 2013. Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings. Arup North America Ltd. San Francisco, CA, and Fire Protection Research Foundation Quincy, MA, U.S.A. 162 pp.
2. Green, M., 2012. The Case for Tall Wood Buildings – How Mass Timber Offers a Safe, Economical, and Environmentally Friendly Alternative for Tall Building Structures. mgb ARCHITECTURE + DESIGN, Vancouver, Canada.
3. Smith, I. and Frangi, A. 2014. Use of Timber in Tall Multi-Story Buildings, Structural Engineering Document SED 13, International Association for Bridge and Structural Engineering IABSE, 2014.
4. ISO 834-1:1999. Fire resistance tests – Elements of building construction – Part 1: General requirements. International Standards Organization, 1999.
5. ČSN 73 0802. Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty. Praha: ÚNMZ, 2009.
6. EN 1995-1-2: Eurocode 5. Design of timber structures – Part 1-2 – General – Structural fire design.