Zkoušení požární odolnosti stavebních konstrukcí

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Při návrhu stavebních konstrukcí je nutné postupovat tak, aby byly splněny všechny požadavky, které jsou na výsledné dílo kladeny. Jedním z požadavků je odolnost stavby a jednotlivých konstrukcí na účinky mimořádného zatížení jako je situace za požáru. Prokázání splnění těchto požadavků je vyžadováno před zabudováním stavební konstrukce či prvku do objektu. Metodické postupy pro stanovení požární odolnosti zahrnují určení hodnot na základě výpočtu dle eurokódu, pomocí tabulkových hodnot, na základě výsledků požární zkoušky či pomocí kombinace výpočtů s experimentální zkouškou.

V praxi je pro určení požární odolnosti běžných konstrukcí užíváno tabulkových hodnot jako jeden z nejrychlejších a nejlevnějších způsobů. Hodnoty byly získány na základě výsledků výpočtových metod či praktického měření. Užití těchto hodnot, vzhledem k variabilitě použití, však vykazuje značně konzervativní výsledky. Pro zpřesnění hodnot je možné použít výpočtových postupů pro návrh konstrukcí za mimořádné návrhové situace. Tyto postupy jsou definovány normami a jejich použití je na straně bezpečnosti.

Poslední možností pro získání potřebných hodnot je provedení požární zkoušky. Tento způsob umožňuje získání nejpřesnějších a nejrelevantnějších výsledků. Při zkoušení konstrukcí lze simulovat okrajové podmínky, které co nejvíce vystihují reálné působení v objektu. Při neustálém vývoji stavebních materiálů a konstrukcí je mnohdy požární zkouška jedinou možnou variantou z výše uvedených postupů. Nevýhodou je však její pracnost a časová a finanční náročnost její realizace dle normových postupů. Pro prvotní ověření reakce konstrukce na oheň se nabízí možnost testování vzorku menších rozměrů. Během výzkumu na fakultě na fakultě Worcester Polytechnic Institute v USA byla sestavena zkušební pec s rozměry 1,2 × m 1,2 m × 0,9 m, kde naměřené hodnoty z průběhů zkoušek prokázaly vhodnost této metody pro testování konstrukcí [1]. Se zmenšením rozměrů konstrukce jsou samozřejmě spojeny i nižší náklady na samotný vzorek, stejně jako náklady celkové zkoušky.

2. Zkoušení stavebních konstrukcí

Pro hodnocení odolnosti konstrukcí vůči účinkům požáru jsou konstrukce klasifikovány na základě, již výše zmíněných, mezních stavů (MS) s požární odolností v minutách. Hodnoty jednotlivých kritérií jsou získány z výsledků požárních zkoušek. Pro průběh zkoušky je důležité dodržení předem stanovených postupů, jejichž hlavním parametrem je teplota a tlak, kterému je konstrukce vystavena.

Teplota při zkoušení

Pro zkoušení vnitřních konstrukcí je dán časový průběh teploty při požáru logaritmickým vztahem. Tento časový průběh byl mezinárodně stanoven na základě statistik a byla určena tzv. normová teplotní křivka T, která je dána vztahem:

kde je

T

průměrná teplota v peci [°C],

t

čas [min].

Normová teplotní křivka teplotní křivka je zobrazena v grafu na Obr. 1.

Normový průběh zkoušení

Pro jednotlivé konstrukce jsou normami stanoveny postupy pro zkoušení konstrukcí. Základní požadavky na podmínky při průběhu zkoušky jsou stanoveny dle ČSN EN 1363-1 [2], kde jsou rovněž stanovena kritéria pro následné vyhodnocení zkoušky. Normové postupy jsou členěny dle typu konstrukcí a jejich užití v objektu. Základní vlastností je pak třídění zkušebních postupů pro konstrukce nosné a nenosné.

Pro srovnání požární odolnosti byla vybrána konstrukce vnitřní nenosné stěny. Pro tyto konstrukce je stanoven zkušební postup dle ČSN 1364-1 [3]. Zkoušení požární odolnosti nenosných stěnových konstrukcí je prováděno na vzorcích o rozměrech 3 m × 3 m. Tyto hodnoty lze upravit na menší v případě, že výsledná konstrukce užitá v praxi, je menší než konstrukce s výše uvedenými rozměry. V takovém případě se ke zkoušení použije skutečný rozměr konstrukce. Konstrukce by měla být zkoušena tak, aby okrajové podmínky zkoušení co nejvíce vystihly reálné podmínky konstrukce v objektu. Vzorek by měl být umístěn do zkušebního rámu a prostory mezi vzorkem a konstrukcí se vyplní pružným materiálem pro zajištění možnosti dilatace konstrukce.

Hlavním sledovaným kritériem je teplota a čas. Tyto veličiny jsou zásadní pro určení výsledné požární odolnosti konstrukce.

Experimentální zkoušení vzorku

Experimentální ověření požární odolnosti vybrané konstrukce bylo provedeno na zařízení umožňující teplotní zatěžování dle normové teplotní křivky s maximální teplotou 1100 °C. Vzhledem k principu dostupného zkušebního zařízení byla konstrukce zkoušena ve vodorovné poloze. Jedná se o malorozměrovou zkoušku s půdorysnými rozměry zkušební plochy 2000 × 1000 mm.

Pro srovnání vlastností požární odolnosti byla vybrána konstrukce vnitřní nenosné stěny s dřevěnými konstrukčními prvky. Jako pohledový povrch konstrukce bylo voleno souvrství sádrovláknitých desek s třídou reakce na oheň A2-s1, d0. Akustická a požární izolace stěny byla provedena z minerálních izolačních desek vložených mezi dřevěné sloupky konstrukce.

Konstrukce byla uložena na horní povrch zkušebního zařízení a úložná plocha byla opatřena nehořlavým podkladním materiálem pro utěsnění a vyrovnání nerovností.

Měření teploty

Zkoušení konstrukce spočívá v jejím teplotním zatěžováním s pravidelným snímáním teplot. Časový interval mezi jednotlivými měřeními by neměl přesáhnout 1 minutu. V průběhu zkoušky byly měřeny teploty ve zkušební komoře, na površích zkoušené konstrukce a mezi jejími jednotlivými vrstvami.

Teplotní zatěžování bylo vyvozováno programem zkušebního zařízení dle normové teplotní křivky a teplota uvnitř pece byla měřena pomocí termoelektrických článků. Uprostřed zkoušené konstrukce byl připevněn článek pro snímání teploty na ohřívaném povrchu konstrukce.

Průběh teplot uvnitř vzorku byl sledován na rozhraních jednotlivých vrstev ve středním poli vždy pomocí dvojice termočlánků. Další termočlánky byly umístěny na styku opláštění s dřevěnou konstrukcí.

Teplota na neohřívané straně konstrukce byla snímána pomocí mobilního měřidla ve třech bodech na středu jednotlivých polí.

Na Obr. 3 je patrný stav konstrukce v průběhu zkoušky při 93. minutě. Je zde vidět úplná absence exponovaného souvrství sádrovláknitých desek. Působením vysoké teploty dochází ke zkřehnutí izolantu. Nicméně během požáru minerální izolant nepřispívá k jeho intenzitě, nedochází k jeho vznícení a zvyšuje tak požární odolnost konstrukce.

Interpretace výsledků požárních zkoušek

Výsledné vyhodnocení hodnot a průběhu zkoušky probíhá na základě sledovaných mezních stavů. Pro požárně dělící konstrukce stěn a stropů jsou nejčastěji sledovanými parametry celistvost (E), izolace (I), radiace – hustota tepelného toku (W) a nosnost (R).

Při sledování kritéria celistvosti si konstrukce po celou dobu musí zachovat své dělící funkce, aniž by došlo ke vznícení bavlněného polštářku přikládaného na povrch konstrukce, k umožnění průchodu měrky konstrukcí či k souvislému plamennému hoření. Při sledování kritéria izolace nesmísí neexponovaný povrch konstrukce vykazovat přírůstek průměrné teploty vyšší než 140 K nebo přírůstek teploty ve kterémkoliv bodě nad počáteční průměrnou teplotu o více jak 180 K. U kritéria nosnosti je rozhodující rychlost deformace a mezní skutečná deformace.

Nedílnou součástí vyhodnocení konstrukce je určení druhu konstrukční části. V objektech jsou jednotlivé konstrukce většinou složeny z více materiálů o různých třídách reakce na oheň. Kmenové návrhové normy [4] proto třídí výsledné konstrukce v celkové sestavně do 3 základních druhů (DP1, DP2, DP3). Parametry pro zatřídění jsou dány normovými požadavky dle užitých materiálů a jejich třídy reakce na oheň v závislosti na uspořádání těchto materiálů v hodnocené skladbě. Konstrukce druhu DP1 nezvyšují v požadované době požární odolnosti intenzitu požáru. Tyto konstrukce sestávají z výrobků třídy reakce na oheň A1 či A2 nebo B až F umístěných uvnitř konstrukčních částí mezi výrobky A1 nebo A2, u kterých nesmí dojít k jejich vzplanutí a není na nich závislá stabilita konstrukce. Stavební konstrukce druhu DP2 nezvyšují v požadované době požární odolnosti intenzitu požáru. Tyto konstrukce mohou být z výrobků B až D, na kterých je závislá stabilita konstrukce, avšak musí být umístěny uvnitř konstrukčních částí mezi výrobky A1 a A2. Případně z výrobků B až F uvnitř A1 či A2 a není na nich závislá stabilita konstrukce. Konstrukce druhu DP3 mohou v požadované době požární odolnosti zvýšit intenzitu požáru a zahrnují podstatné složky, které nesplňují požadavky na konstrukce DP1 či DP2.

3. Výsledky zkoušení

Zkouška byla provedena v celkové délce 102 minut. Během této doby byly z jednotlivých čidel v konstrukci a na jejím povrchu zaznamenávány hodnoty naměřených teplot. Průběh zkoušky byl po celou dobu sledován a byly zaznamenávány změny a chování jednotlivých dílčích materiálů a ve výsledku i konstrukce jako celku.

Maximální teplota na neohřívané straně konstrukce těsně před ukončením zkoušky byla 64,2 °C, což vzhledem k počáteční teplotě vzorku znamená maximální přírůstek přibližně o 44 K.

Průměrná teplota na neohřívané straně konstrukce těsně před ukončením zkoušky byla 59,6 °C, respektive průměrný přírůstek teploty přibližně o 40 K.

Při měření teplot na povrchu dřevěného sloupku z exponované strany konstrukce začala teplota prudce narůstat okolo 63. minuty od počátku zkoušky. V čase 70 minut se zde teplota pohybovala v hodnotách okolo 600 °C.

4. Zhodnocení zkoušky

Z naměřených hodnot lze vyhodnotit skutečnou požární odolnost dané konstrukce.

Vzhledem k nízkým povrchovým teplotám a neporušenosti povrchu si konstrukce po celou dobu zkoušky zachovala své vlastnosti pro splnění požadavků kritéria celistvosti (E).

Při ukončení zkoušky, tzn. v čase t = 102 minut od zahájení zkoušky, byl průměrný nárůst teploty v měřených místech na povrchu konstrukce oproti počáteční hodnotě přibližně 40 K. Výsledné posouzení 40 ≤ 140 [K] vyhovuje. Tento požadavek je tedy splněn. Maximální nárůst teploty byl přibližně 44 K. Výsledné posouzení 44 ≤ 180 [K] vyhovuje. Dle výše uvedených skutečností konstrukce vyhověla požadavkům izolační schopnosti konstrukce (I).

Vzhledem k dosaženým nízkým teplotám a splnění požadavku pro izolační schopnosti konstrukce byl splněn i požadavek pro limit hustoty tepelného toku (W).

Dle naměřených hodnot a chování konstrukce tak splnila zkoušená skladba požadavky pro kombinaci mezních stavů EI 90, respektive EW 90.

Vzorek byl sestaven jako konstrukce splňující požadavky pro druh konstrukční části typu DP2. Tyto vlastnosti si konstrukce zachovala po dobu, než došlo k porušení exponovaného souvrství nehořlavých deskových materiálů. Na základě této doby byla konstrukce zatříděna jako EI 60 DP2. Od této doby až do 90 minut konstrukce dosáhla výsledných hodnot kalo konstrukce typu DP3 (EI 90 DP3).

5. Závěr

V rámci předložené práce byly popsány způsoby stanovení požární odolnosti stavebních konstrukcí.

Požární zkoušky vykazují přesnější a reálnější výsledky hodnocených konstrukcí oproti konzervativním metodám. Tato skutečnost je však dána na úkor velké finanční náročnosti celého procesu. Zkoušení požární odolnosti a testování výrobků však hraje klíčovou roli při zvyšování odolnosti stavebních konstrukcí a vývoji nových stavebních materiálů pro jejich následné uplatnění v praxi. Optimálních výsledků lze dosáhnout kombinací praktických zkoušek a matematického modelování s výpočtovými metodami. Velké uplatnění při vývoji konstrukcí mají malorozměrové zkoušky vykazující optimální výsledky. Na základě těchto výsledků je možné dále pracovat a optimalizovat konstrukce pro dosažení vyšších odolností. Nové konstrukce je pak nutné podrobit zkouškám dle platných normových postupů pro získání výsledného požárně klasifikačního osvědčení.

Poděkování

Výsledky uvedené v článku byly získány v rámci řešení projektu specifického výzkumu FAST-J20-6467 fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Konstrukce byla zkoušena na zkušebním zařízení výzkumného centra AdMaS, které je součástí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně.

Použité zdroje

1. ING, Alexander, Kevin LYNCH, Dylan MARTEL a Tara SHARP. Design of Small-Scale Furnace for Fire Resistance Testing of Building Construction Materials. B.m.: Worcester Polytechnic Institute. 2017.
2. ČSN EN 1363-1 Zkoušení požární odolnosti – Část 1: Základní požadavky. Praha: ÚNMZ. 2013.
3. ČSN 1364-1 Zkoušení požární odolnosti nenosných prvků – Část 1: Stěny. Praha: ÚNMZ. 2017.
4. ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení. Praha: ÚNMZ. 2016.