Reklama

Požární ochrana oceli dřevem a materiály na bázi dřeva: Požární experiment a CFD modely (část 2.)

3.11.2025

Ing. Jakub Šejna, Ph.D., Ing. Vojtěch Šálek, Ph.D., Ing. Stanislav Šulc, Ph.D., doc. Ing. Kamila Cábová, Ph.D., doc. Ing. Milan Jahoda, Ph.D., prof. Ing. František Wald, CSc., Ing. Simona Rušarová

Recenzovaný

Přehrát audio verzi

Požární ochrana oceli dřevem a materiály na bázi dřeva: Požární experiment a CFD modely (část 2.)

00:00

0.25x
0.5x
0.75x
1x
1.25x
1.5x
2x

Druhá část série představuje komplexní přístup k výzkumu účinnosti OSB obkladů jako pasivní požární ochrany ocelových nosníků. Byla provedena velkorozměrová zkouška v horizontální peci, která ukázala, že OSB obklady významně zpomalují ohřev oceli až do okamžiku selhání obkladu. Jednovrstvé opláštění prodloužilo čas do dosažení kritické teploty přibližně o 17 minut, dvouvrstvé až o 30 minut. Slabinou systému se ukázaly pracovní spáry mezi deskami, kde docházelo k předčasnému selhání. CFD model vytvořený v prostředí FDS dokázal velmi dobře replikovat průběh ohřevu, zejména u nechráněných profilů a chráněných prvků do okamžiku ztráty integrity obkladu. Odchylky nastaly až po jeho odpadnutí, což poukazuje na nutnost dalšího rozšíření modelu o mechanické porušení. Výsledky potvrzují ochranný potenciál OSB obkladů a poskytují základ pro rozvoj návrhových metod zahrnujících stabilitu obkladu, přítomnost spar i predikci selhání obkladu v čase.

Reklama

1. Úvod

První část této série ukázala, že dřevěné deskové obklady, například z OSB, mohou při správném návrhu výrazně zpomalit ohřev ocelových prvků vystavených účinkům požáru. Díky tvorbě zuhelnatělé vrstvy, relativně nízké tepelné vodivosti a mechanické stabilitě v počáteční fázi požáru lze dosáhnout pozoruhodného ochranného účinku i u jinak hořlavého materiálu.

Aby však bylo možné tyto poznatky uplatnit v praxi a obklady navrhovat spolehlivě, je nezbytné opřít se o reálná měření a výpočetní modely. Následující část článku se proto věnuje podrobnému ověření chování OSB obkladů prostřednictvím velkorozměrového požárního experimentu, na který navazuje modelová část, zaměřená na numerické simulace.

Druhá část článku je rozdělena do dvou hlavních částí:

1. Experimentální část
Tato část článku se zaměřuje na popis provedeného velkorozměrového požárního experimentu, jehož cílem bylo ověřit funkčnost deskového obkladu z OSB desek v reálných podmínkách požáru. Součástí zkoušky bylo měření teplot uvnitř ocelového profilu a v jednotlivých vrstvách obkladu s cílem sledovat, jak se teplo šíří konstrukcí v čase. Výsledkem experimentu je časová teplotní odezva celé konstrukce, určení okamžiku selhání obkladu a vizuální dokumentace chování konstrukce v průběhu požáru. Tyto údaje tvoří základ pro následné porovnání s numerickými modely.

2. Modelová část
Tato část se věnuje numerickému modelování chování konstrukce s cílem vytvořit a ověřit CFD (Computational Fluid Dynamics) model na základě dat získaných z experimentu. Pro výpočty byl využit softwarový nástroj Fire Dynamics Simulator (FDS), přičemž důraz byl kladen na přesné zadání okrajových podmínek a materiálových charakteristik jednotlivých vrstev chráněné konstrukce. Výstupem této části je srovnání simulovaných a naměřených teplot v čase, analýza přestupu tepla mezi obkladem a ocelí a predikce okamžiku selhání obkladového systému. Součástí analýzy bylo i porovnání chování nechráněného a OSB obkladem chráněného nosník, a to nejen z hlediska teplotního průběhu, ale také z hlediska deformací.

2. Velkorozměrové zkoušky chráněných ocelových nosníků obkladem z OSB

Obr. 1: Horizontální zkušební pec v Požárním ústavu PAVUS, a.s.

Cílem experimentu bylo ověřit účinnost OSB obkladu při zvyšování požární odolnosti ocelových nosníků a současně získat referenční data pro ověření numerických modelů.

Zkouška byla provedena v horizontální peci (Obr. 1 a Obr. 17), kde byly vystaveny požáru tři ocelové nosníky (SHS 100/6, délka 3700 mm):

referenční nosník bez obkladu,
nosník chráněný jednou vrstvou OSB desky (22 mm),
nosník chráněný dvěma vrstvami OSB (2 × 22 mm).

Obr. 2: Půdorys pece se vzorky

Obr. 3: Řez pecí D–D

Umístění zkoušených nosníků v peci je znázorněno na Obr. 2 a Obr. 3. Na půdorysu pece (Obr. 2) je patrné rozložení jednotlivých vzorků, rozmístění hořáků a větracích otvorů, které zajišťovaly rovnoměrné působení tepelného toku na zkušební tělesa. Řez D–D (Obr. 3) pak ukazuje svislé uspořádání, kde jsou patrné varianty nosníků chráněných jednou či dvěma vrstvami OSB a porovnávací nechráněný prvek. Současně je zde vyznačena pozice hořáků i otvorů simulujících okna pro odvod horkých plynů.

Tloušťky obkladů byly voleny tak, aby odpovídaly požadavku na zvýšení požární odolnosti o 15 a 30 minut dle předchozích experimentů [1–4].

Obklad byl vyroben v laboratořích ČVUT jako boxový systém z OSB desek, upevněný sponami délky 40 mm s roztečí 500 mm. Spoje nebyly lepeny ani vyplněny, čímž se simulovalo běžné provedení. U dvouvrstvého obkladu byly vrstvy vzájemně posunuty tak, aby se zabránilo vzniku souvislé spáry. Ve stěně jednoho nosníku byla vytvořena 1mm mezera, simulující reálný spoj mezi deskami a usnadňující případné odpadnutí obkladu během požáru (Obr. 4).

Obr. 4: Schéma provedeného obkladu nosníku

Pec měla vnitřní rozměry 4,0 × 3,0 m a výšku zvýšenou z 2,35 m na 3,25 m. Nosníky byly uloženy na rám ve výšce 2,25 m a ohřívány ze všech čtyř stran osmi plynovými hořáky o výkonu až 2560 kW (viz Obr. 2 a Obr. 3). Schéma provedených obkladů je na Obr. 4. Fotografie z výroby vzorků a požární zkoušky jsou na Obr. 5 až Obr. 13.

Obr. 5: Fotografie z výroby vzorků – vyvedení termočlánků z nosníku

Obr. 6: Fotografie z výroby vzorků – první vrstva OSB

Obr. 7: Fotografie z výroby vzorků – upevnění OSB ochrany pomocí pneumatické sponkovačky

Obr. 8: Fotografie z výroby vzorků – hotové vzorky

Obr. 9: Fotografie z požární zkoušky – stav před zkouškou

Obr. 10: Fotografie z požární zkoušky – zachycení tvorby zuhelnatělé vrstvy OSB

Obr. 11: Fotografie z požární zkoušky – zachycení postupného odpadávání OSB

Obr. 12: Fotografie z požární zkoušky – stav po zkoušce zachycující značný průhyb ocelového profilu po odpadnutí dřevěné ochrany

Obr. 13: Srovnání výsledných deformací nosníků po zkoušce, zleva: nechráněný, chráněný 2× OSB, a chráněný 1× OSB

Požární test proběhl dle EN 1363-1 a EN 13381-4, s aplikovaným mechanickým zatížením 981 N ve středu nosníků 20 hodin před zahájením zkoušky. Počáteční teplota vzorků byla 19,7 ± 1,2 °C, teplota okolí 19,8 °C. Teploty byly zaznamenávány v intervalu 1 minuty. Měření průhybů probíhalo uprostřed a na koncích nosníků pomocí referenční tyče z nerezové oceli.

Termočlánky typu K byly umístěny na všech čtyřech stěnách nosníků. Připevnění bylo realizováno metodou „přítlačného hrotu“ do předvrtané jamky, následně přitlačeno obkladem. U nechráněného profilu byly použity termočlánky o průměru 2 mm (rozsah do 1150 °C), u chráněných profilů jemnější s keramickým povlakem (0,5 mm, do 600 °C). V dutině nosníků byl veden termočlánek v minerální vlně, aby se minimalizovalo ovlivnění naměřených hodnot.

Z důvodu očekávaných deformací byla zvolena vyšší tloušťka stěny ocelového profilu. Profil SHS 100/6 z oceli S235JR byl navržen tak, aby při ukončení zkoušky nebyly překročeny průhyby na nechráněném nosníku více než 400 mm (odpovídající mezi kluzu 63,5 MPa). Nechráněný nosníky byl zatíženy na úroveň 60 % plastického momentu.

Tloušťka OSB obkladu d_OSB byla určena podle předpokládané rychlosti odhořívání β_0,OSB a doplněna o bezpečnostní přídavek 5 mm pro zajištění řízeného odpadnutí chráněné desky v 21. a 41. min zkoušky:

Obr. 14: Teplota v peci a výkon hořáků

Během experimentu byl výkon hořáků řízen tak, aby sledoval křivku ISO 834. Po 6 minutách začala oscilace výkonu, fixace nastala po dosažení 800 °C ve 20. minutě (Obr. 14). Naměřené hodnoty uvedené na Obr. 15. a 16 byly v následující části využity pro validaci numerických modelů a porovnání vývoje teploty a deformací s výsledky simulací.

Obr. 15: Naměřené teploty u stěny pece na nosníku, TC2 umístěný na nechráněném nosníku, TC14 umístěný na 1× OSB chráněném nosníku, TC26 umístěný na 2× OSB chráněném nosníku

Obr. 16: Naměřené teploty v 1/3 délky nosníku (v blízkosti pracovní spáry v obkladu), TC8 umístěný na nechráněném nosníku, TC20 umístěný na 1× OSB chráněném nosníku, TC32 umístěný na 2× OSB chráněném nosníku

3. Využití moderních metod pro určení příspěvku požární ochrany ze dřeva

Numerické modelování pomocí dynamiky tekutin (CFD) je v požárním inženýrství běžně využíváno pro předpověď vývoje teplotního pole v místnosti nebo v blízkosti konstrukčních prvků. Stejně tak může být použito i pro hodnocení účinnosti dřevěného obkladu, materiálu, který při požáru plní dvojí roli: funguje jako pasivní ochrana a zároveň jako dodatečný zdroj hoření.

Z tohoto důvodu musí být v CFD modelu zahrnut i proces termického rozkladu dřeva, tzv. pyrolýzy. Tento jev zásadně ovlivňuje chování dřevěného obkladu při požáru. Pyrolýza může být v modelu reprezentována různě náročnými přístupy, od jednoduchých modelů s předepsanou rychlostí uvolňování tepla na jednotku plochy (HRRPUA, Heat Release Rate Pper Unit Area) až po komplexní vícesložkové fyzikálně-chemické popisy rozkladných dějů s odděleným chováním pevných a plynných fází.

Zjednodušené přístupy modelování pyrolýzy často vycházejí z odhadu rychlosti uvolňování tepla (HRR) měřeného experimentálně pomocí kalorimetru. Tento přístup se běžně uplatňuje v inženýrské praxi a byl popsán například ve studiích [5–8]. Omezením tohoto zjednodušeného přístupu je však předepsání průběhu uvolňování tepla přesně dle provedeného experimentu. Model tak není schopen reagovat na měnící se podmínky oproti průběhu experimentu, např. na jiné geometrické uspořádání požární zkoušky, odlišný výkon zdroje tepla, změny v proudění vzduchu, nebo různé tloušťky a vlastnosti pyrolyzovaného materiálu.

Složitější modely jsou založeny na matematickém popisu fyzikálních a chemických dějů probíhajících při pyrolýze, které zahrnují:

přenos tepla a hmoty v materiálu a jeho okolí,
rychlost (neboli kinetiku) tepelného rozkladu pevného materiálu,
vznik zuhelnatělé vrstvy,
uvolňování hořlavých plynů, jejich následné míchání s okolní atmosférou a další případné hoření,
případnou oxidaci pevného materiálu na popel.

Tyto modely vyžadují velké množství vstupních materiálových, kinetických, tepelných a dalších parametrů a jsou proto zatím používány spíše výjimečně. Jejich výhodou je však schopnost přesněji simulovat vícestupňové chování dřeva při požáru, schopnost reagovat na okolní podmínky a předpovídat šíření požáru.

Mezi nejhůře dostupné vstupní parametry komplexních modelů patří parametry popisující kinetiku tepelného rozkladu pyrolyzovaného materiálu. Tyto parametry se získávají pomocí termogravimetrické analýzy (TGA), při níž se měří úbytek hmotnosti několikamiligramového vzorku v závislosti na teplotě. Stále však neexistuje jednotný postup, jak parametry z TGA dat vypočítat a univerzálně přenést do požárních modelů.

Při modelování chování dřevěného obkladu vystaveného požáru je nezbytné nejprve popsat přestup tepla z okolního plynu na povrch materiálu. Tento tepelný tok zahrnuje dvě základní složky: konvektivní přestup tepla, který závisí na teplotním rozdílu mezi plynem a povrchem a je ovlivněn rychlostí proudění a charakterem mezní vrstvy, a radiační složku, která závisí na emisivitě povrchu, orientaci konstrukce vůči zdroji záření a geometrii (zejména vzdálenosti a výhledu na plamen či horké plyny). Správný výpočet těchto složek je klíčový, protože přímo ovlivňuje rychlost ohřevu povrchu obkladu.

Jakmile je známý tepelný tok na povrchu, následuje modelování vedení tepla uvnitř deskového materiálu. V případě dřevěných obkladů je potřeba zohlednit nejen proměnlivé tepelně-fyzikální vlastnosti (vodivost, měrná tepelná kapacita), ale také tepelnou degradaci materiálu, tedy pyrolýzu. Ta je řízena kinetikou, která udává rychlost úbytku materiálu v závislosti na jeho teplotě. Pro dřevěné materiály obvykle rozklad a přeměna na zuhelnatělý zbytek začíná při cca 300 °C, což odpovídá také ztrátě mechanické pevnosti [4, 9, 10, 11, 12].

V tomto článku byl použit právě vícesložkový přístup, který předpovídá interakci mezi dřevem, vznikající zuhelnatělou vrstvou a hořícími složkami uvolňovanými při tepelném rozkladu. Tento přístup předpovídá vývoj teplotního profilu uvnitř chráněného prvku na základě jeho tepelného namáhání a je tak vhodný pro předpověď chování dřevěného obkladu v požáru.

4. Pyrolýza OSB desek pro numerické modely

U OSB desek, stejně jako u jiných kompozitních dřevěných materiálů, je proces pyrolýzy výsledkem složitých fyzikálně-chemických změn, které probíhají při vysokých teplotách za omezeného přístupu kyslíku (předpokládá se, že kyslík je spotřebován hořením nad degradujícím materiálem). Tento proces zahrnuje postupnou ztrátu hmotnosti, uvolňování těkavých složek a tvorbu zuhelnatělé vrstvy.

Pro účely numerického modelování je však potřeba tento komplexní děj (stovky až tisíce chemických reakcí) nahradit zjednodušeným schématem tepelného rozkladu. Vhodně zvolené schéma tepelného rozkladu zachovává hmotnostní ztrátu materiálu pozorovanou při TGA měřeních, ale dosahuje jí pomocí značně nižního počtu (jednotek), správně zvolených, fiktivních reakcí. V této práci bylo převzato modelové schéma z výzkumu J. Iry a kol. [16], které reprezentuje rozklad OSB jako soubor tří paralelních reakcí. Každá z těchto reakcí odpovídá fiktivní složce materiálu a má vlastní kinetické konstanty, aktivační energii a předexponenciální faktor. Tento přístup umožňuje dostatečně přesně vystihnout tepelný rozklad OSB desky při požáru, aniž by bylo nutné modelovat skutečné složité chemické složení dřeva, případně lepidel a dalších aditiv.

Reakční schéma lze formálně vyjádřit pomocí rozkladných reakcí pro libovolnou fiktivní složku X_j jako:

kde jsou

R: pevný zbytek,
ν: stechiometrický koeficient (podíl zanechávaného zuhelnatělého zbytku),
j: jednotlivé složky a jim příslušející reakce.

Rychlost každé j-té reakce r_j je pak dána Arrheniovou rovnicí:

kde je

A_j: předexponenciální faktor,
E_j: aktivační energie,
n_j: řád reakce,
y_X: hmotnostní zlomek složky X,
R: univerzální plynová konstanta,
T: teplota.

Parametry všech tří fiktivních reakcí jsou uvedeny v Tab. 1. Součástí modelu je také reakční teplo 77,7 kJ/kg, převzaté z měření metodou diferenciální kompenzační kalorimetrie (DSC), které vyjadřuje energetickou náročnost rozkladu jednotlivých složek.

Pro simulaci spalovacího chování OSB desek bylo převzato i složení paliva [16], s nulovým výtěžkem CO a výtěžností sazí dle [17]. Spalné teplo bylo stanoveno na 11 710 kJ/kg.

Tab. 1: Kinetické koeficienty použité v modelu
Fiktivní složka	`A_j` [log 1/s]	`E_j` [kJ/mol]	`n_j` [–]	`ν_j` [–]	`y_j,0` [–]
R1	7,6	112	1,2	0,236	39,8
R2	25,4	326	1,5	0,236	34,8
R3	2,7	56	3,1	0,236	25,4

Tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita OSB byl uvažovány jako teplotně závislé a pro zjednodušení považovány za identické pro všechny tři složky původního materiálu. Pro zuhelnatělou vrstvu byla uvažována samostatná sada vlastností, viz [16, 17], a hustota byla stanovena jako 299 kg/m³.

5. CFD model požární zkoušky

Obr. 17: Znázornění umístění vzorků v peci, vizualizace geometrie vytvořeného CFD modelu

Pro simulaci požární zkoušky byla vytvořena zjednodušená geometrie zkušební pece laboratoře PAVUS, a.s., využívané pro standardizované testy požární odolnosti. Základní geometrie, materiálové charakteristiky i ventilační režim vycházejí z dříve publikovaného modelu vyvinutého Cábovou a kol. [18]. Původní model, vytvořený v prostředí výpočetní dynamiky tekutin FDS verze 6.5.4, byl v rámci tohoto výzkumu aktualizován a přizpůsoben požadavkům experimentální konfigurace, zejména přidáním 1,0 m vysoké nástavby pece. Pro všechny nové části byly zachovány stejné materiály a tepelně-fyzikální vlastnosti jako v původním modelu, čímž byla zajištěna konzistence numerického prostředí.

Definice hořáků a uvolňování tepla

Vzhledem k tomu, že reálné hořáky v peci používají směs paliva a vzduchu se složitou dynamikou spalování, byla v modelu zvolena zjednodušená spalná reakce. Místo detailního popisu turbulentního spalování byly definovány tzv. „ploché“ hořáky podle výchozí FDS metodiky. Tato metoda, popsaná ve studii [18], pracuje s předdefinovanou rychlostí uvolňování tepla a předpokládá difuzní spalování s nekonečně rychlou reakcí, tj. spalovací proces je limitován výhradně mícháním paliva a oxidačního činidla, nikoliv reakční kinetikou.

V modelu bylo umístěno celkem osm hořáků, po čtyřech na každé z delších stran komory (viz Obr. 3). Každý hořák je definován jako čtvercová plocha 250 × 250 mm, umístěná 500 mm nad podlahou. Použitým palivem je metan. Výkon jednotlivých hořáků byl nastaven na hodnoty odpovídající průměrně měřeným výkonům v experimentu. Aby bylo možné realisticky predikovat přenos tepla, byl pro metan použit přednastavený radiační podíl 0,2, jak doporučuje uživatelská příručka FDS. Tento parametr představuje podíl uvolněného tepla, který je vyzařován sáláním.

Porovnání experimentálních pozorování s předpovědí modelu

Výsledky předpovědí FDS modelu jsou porovnány s experimentálně naměřenými hodnotami na Obr. 18 a 19. Model velmi dobře zachytil trend ohřevu u nechráněných nosníků. V případě nosníků chráněných OSB deskami však došlo k postupnému rozcházení výsledků. Například u termočlánku TC 20, umístěného ve středu nosníku chráněného jednou OSB deskou, byla predikována teplota o cca 50 °C nižší než v experimentu mezi 10. a 20. min. Po 20. minutě se rozdíl výrazně prohloubil, až na 300 °C na konci zkoušky. Důvodem byl odpad obkladu pozorovaný ve 21,5 min experimentu, který model neuvažoval, a obklad tak zůstal „funkční“ po celou dobu simulace s postupnou degradací.

U nosníku TC 14 (umístění ve 1/3 nosníku, rovněž 1× OSB) se predikce shodovala s experimentem přibližně do 32. minuty, kdy v reálné zkoušce došlo k odpadnutí OSB. U nosníku chráněného dvěma vrstvami OSB bylo odpadnutí pozorováno ve 47. minutě a opět vedlo k rozdílu v predikci a měření. Pyrolýzní plyny z OSB se začaly uvolňovat přibližně po 12 min a simulované spalování těchto produktů pokračovalo až do cca 43 min. Jejich přímý vliv na teplotu nosníků byl však minimální, protože hlavní zdroj ohřevu zůstával přímý sálavý tok z hořáků. Přesto bylo uvolňování plynných produktů zahrnuto do modelu, protože je nezbytné pro výpočet rychlosti úbytku hmotnosti OSB a predikci tvorby zuhelnatělé vrstvy.

Obr. 18: Srovnání teplot oceli při zkoušce v oblasti pracovní spáry v obkladu

Obr. 19: Srovnání teplot oceli při zkoušce, termočlánky umístěné na oceli nejblíže stěnám pece

6. Závěr

Ve druhé části této série byl prezentován ucelený přístup ke zkoumání účinnosti OSB obkladů jako pasivní požární ochrany ocelových nosníků. Tato část se skládala ze dvou vzájemně propojených bloků: velkorozměrového požárního experimentu a jeho numerického modelování pomocí specializovaného požárního řešiče FDS. Experiment v horizontální peci prokázal, že OSB obklady výrazně zpomalují ohřev ocelových profilů, a to až do momentu jejich fyzického selhání (např. odpadnutí obkladu). U jednovrstvého obkladu bylo dosaženo prodloužení doby do kritické teploty přibližně o 17 minut, u dvouvrstvého až o 30 minut. Zároveň bylo zaznamenáno, že slabým místem systému jsou spáry mezi deskami, které se staly místem předčasného selhání obkladu.

CFD model požární zkoušky, založený na experimentálně ověřených vstupních parametrech a geometrii pece, umožnil detailní simulaci přestupu tepla z plynu na konstrukci, včetně interakce s tepelně degradujícím OSB obložením. Model věrně zachytil trend ohřevu u nechráněných prvků a do doby integrity obkladu vykazoval velmi dobrou shodu i u chráněných profilů. Odchylky nastaly až po odpadnutí obkladu, které model zatím nezohledňoval. Tento fakt podtrhuje potřebu budoucího rozšíření modelu o mechanické selhání obkladu.

Dále bylo potvrzeno, že i když spalování pyrolýzních plynů má vliv na teplotu prostředí, dominantní roli v ochraně oceli hraje tvorba zuhelnatělé vrstvy a zpomalení tepelného toku v důsledku přítomnosti dřeva a později přítomnosti zuhelnatělé vrstvy.

Hlavní přínosy této části lze shrnout následovně:

ověřený experimentálně-numerický přístup pro OSB obklady,
doložení ochranné funkce jedné i dvou vrstev OSB,
identifikace limitů současných CFD modelů bez mechanického selhání,
ověření účinnosti metodiky pro návrh tloušťky obkladu (pomocí rychlosti pyrolýzy).

Tato část tvoří základ pro další vývoj návrhových nástrojů, které budou zahrnovat mechanickou stabilitu obkladu, analýzu spár a predikci selhání v čase. V následující části se proto autoři zaměřují na FEA modelování konstrukční odezvy a vyhodnocení požární únosnosti prvků chráněných OSB obkladem.

Souvislosti a pokračování

Tento článek představuje základ pro sérii článků na téma požární ochrana oceli OSB obkladem, které se detailněji věnují:

Část 1 – Historie a základy
Část 3 – FEA modely tepelné a mechanické analýzy chráněného ocelového nosníku
Část 4 – Diskuse nad výsledky a možnosti použití s ohledem na Požární kodex norem

Prohlášení o původu výsledků

Vybrané výsledky, metody a závěry uvedené v tomto článku byly již publikovány v odborném časopise Fire and Materials:

Šejna, J. et. al. (2025). Fire Protection of Steel Beam by OSB Claddings—A Fire Experiment and Numerical Models. Fire and Materials. https://doi.org/10.1002/fam.3260

Zároveň jsou výsledky součástí disertační práce Ing. Jakuba Šejny, obhájené na Fakultě stavební ČVUT v Praze v roce 2025, s názvem Požární ochrana ocelových konstrukcí pomocí dřeva a materiálů na bázi dřeva.

Literatura

ŠEJNA, J., ŠULC, S., CÁBOVÁ, K. a WALD, F., 2022. Mechanical analysis of steel beam protected by OSB. In: Engineering Mechanics 2022. Prague: Institute of Theoretical and Applied Mechanics, AS CR, s. 365–368. ISBN 978-80-86246-51-2. ISSN 1805-8256.
ŠULC, S., ŠEJNA, J., ŠMILAUER, V. a WALD, F., 2022. Steel elements with timber fire protection – experiment and numerical analysis. Acta Polytechnica CTU Proceedings, 34. ISSN 2336-5382. Dostupné z:
https://doi.org/10.14311/APP.2022.34.0116.
ŠEJNA, J., 2021. Small Furnace Experiments for Wood Burning Pyrolysis Models. Civil Engineering Research Journal, 12(3). ISSN 2575-8950. Dostupné z: https://doi.org/10.19080/CERJ.2021.12.555838.
ŠEJNA, J. et al., 2025. Fire Protection of Steel Beam by OSB Claddings—A Fire Experiment and Numerical Models. Fire and Materials. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/fam.3260.
MOGHADDAM, A.Z., MOINUDDIN, K., THOMAS, I.R., BENNETTS, I.D. a CULTON, M., 2004. Fire Behaviour Studies of Combustible Wall Linings Applying Fire Dynamics Simulator. In: 15^th Australasian Fluid Mechanics Conference. The University of Sydney, Sydney, Australia.
YANG, F., RIPPE, C., HODGES, J. a LATTIMER, B., 2019. Methodology for material property determination. Fire and Materials, s. 694–706. ISSN 0308-0501. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/fam.2721.
YANG, J., HAMINS, A., DUBRULLE, L. a ZAMMARANO, M., 2022. Experimental and computational study on the glowing ignition of wood. Fire and Materials. ISSN 0308-0501. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/fam.3089.
ŠÁLEK, V., CÁBOVÁ, K., WALD, F. a JAHODA, M., 2021. Numerical modelling of fire test with timber fire protection. Journal of Structural Fire Engineering, 13(1), s. 99–117. ISSN 2040-2317. Dostupné z:
https://doi.org/10.1108/JSFE-04-2021-0017.
[ŠEJNA, J. a BLESÁK, L., 2022. Požární odolnost dřevěných konstrukcí. Praha: Česká technika – nakladatelství ČVUT. ISBN 978-80-01-07012-3.
ROSS, R., 2021. Wood handbook: wood as an engineering material. General Technical Report FPL-GTR-282. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory.
REINPRECHT, L., 2016. Wood Deterioration, Protection and Maintenance. Dostupné z:
https://doi.org/10.1002/9781119106500.
GROENLI, M.G., 1996. A theoretical and experimental study of the thermal degradation of biomass. Doctoral thesis. Trondheim: Division of Thermal Energy and Hydro Power, Faculty of Mechanical Engineering, The Norwegian University of Science and Technology. Dostupné také z: https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/642467.
[WERTHER, N., O'NEILL, J.W., SPELLMAN, P.M., ABU, A.K., MOSS, P.J. et al., 2012. Parametric study of modelling structural timber in fire with different software packages. In: 7^th International Conference on Structures in Fire (SiF). Zurich, Switzerland: SiF2012, s. 427–438. Dostupné z: https://doi.org/10.3929/ethz-a-007050197.
SINHA, S., JHALANI, A., RAVI, M.R. a RAY, A., 2000. Modelling of Pyrolysis in Wood: A Review. SESI Journal, 10(1), s. 41–62.
RINTA-PAAVOLA, A., HOSTIKKA, S. a VAN SWAAIJ, W.P.M., 2022. A model for the pyrolysis of two Nordic structural timbers: A review. Fire and Materials, 46(1), s. 55–68. ISSN 0308-0501. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/fam.2947.
IRA, J., HASALOVÁ, L., ŠÁLEK, V., JAHODA, M. a VYSTRČIL, V., 2020. Thermal Analysis and Cone Calorimeter Study of Engineered Wood with an Emphasis on Fire Modelling. Fire Technology, 56(3), s. 1099–1132. Dostupné z:
https://doi.org/10.1007/s10694-019-00922-9.
ŠÁLEK, V., CÁBOVÁ, K., WALD, F. a JAHODA, M., 2021. Numerical modelling of fire test with timber fire protection. Journal of Structural Fire Engineering, 13(1), s. 99–117. ISSN 2040-2317. Dostupné z:
https://doi.org/10.1108/JSFE-04-2021-0017.
CÁBOVÁ, K., ZEMAN, F., BLESÁK, L., BENÝŠEK, M. a WALD, F., 2020. Timber beam in virtual furnace. Journal of Structural Fire Engineering, s. 437–446. ISSN 2040-2317. Dostupné z: https://doi.org/10.1108/JSFE-01-2019-0007.

English Synopsis

Fire Protection of Steel by Timber and Wood-based Materials: Part 2 – Fire Experiment and CFD Models

The second part of the series presents a comprehensive approach to evaluating the effectiveness of OSB claddings as passive fire protection for steel beams. A large-scale furnace test demonstrated that OSB boards significantly delay steel heating until the moment of cladding failure. A single-layer cladding extended the time to critical temperature by about 17 minutes, while a double-layer system achieved up to 30 minutes. The main weakness of the system was identified at the panel joints, where premature failure occurred. A CFD model developed in FDS successfully reproduced the heating trend, especially for unprotected members and protected profiles up to the loss of cladding integrity. Deviations appeared only after cladding detachment, highlighting the need to incorporate mechanical failure into future models. The findings confirm the protective potential of OSB claddings and provide a foundation for developing design methods that account with cladding stability, joint-gaps, and time-dependent failure prediction.