Hodnoty požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů
Při řešení požární bezpečnosti staveb je třeba znát hodnoty požární odolnosti stavebních výrobků a konstrukcí a navrhovat konstrukce, které požadované hodnoty požární odolnosti splní. Text je zpracován odborníky z vědecké, výzkumné a pedagogické oblasti a je určen projektantům a pracovníkům státní správy na úseku požární bezpečnosti staveb.
Uvádí tabelární hodnoty konzervativního odhadu požární odolnosti betonových, ocelových, spřažených ocelobetonových, dřevěných a zděných konstrukcí stanovených na základě zjednodušených konzervativních výpočetních postupů. Při dodržení v textu uvedených okrajových podmínek umožňuje příručka přímé bezpečné stanovení požární odolnosti. Nahrazuje zrušenou konfliktní ČSN 73 0821. Tím, že hodnoty jsou založeny na stanovení požární odolnosti podle evropských návrhových norem, jsou splněny podmínky zákona a vyhlášek o požární ochraně a ČSN 73 0810: 2009, a hodnoty z příručky jsou plně akceptovatelné v projektové dokumentaci pro stavební řízení.
Úvod
Při řešení požární bezpečnosti staveb je třeba znát hodnoty požární odolnosti stavebních výrobků a konstrukcí a navrhovat konstrukce, které požadované hodnoty požární odolnosti splní. Při realizaci staveb lze rozlišit dvě kategorie prvků: stavební výrobky a stavební konstrukce.
U stavebního výrobku se jedná o věc movitou a určenou k uvedení na trh se základní identifikací výroby a s určením pro trvalé zabudování do staveb.
Stavební konstrukcí se rozumí část stavebního díla, navržená a vypočtená v rámci projektu individuálně pro jednotlivou konkrétní stavbu a zhotovená na základě stavebních prací přímo na stavbě v rámci realizace konkrétního stavebního díla.
ČSN 73 0821 z 28. února 1973, která uvádí hodnoty požárních odolností některých stavebních výrobků a konstrukcí, je zrušena jako konfliktní s přijatými návrhovými normami k 1. březnu 2010. Konfliktnost spočívá v těchto aspektech. Na většinu stavebních výrobků, podhledy, příčky, nosné stěny apod., jsou zpracovány nebo se připravují evropské harmonizované normy, tj. normy, které stanoví podmínky a vlastnosti pro uvádění těchto výrobků na trh včetně zkušebních postupů pro jejich ověřování. Podmínkou klasifikace jsou zkoušky podle příslušných evropských zkušebních norem pro konkrétní konstrukce, včetně materiálového provedení a konkrétního výrobce.
U harmonizovaných stavebních výrobků nelze normou vyčerpávajícím způsobem popsat varianty odzkoušených výrobků, včetně případných přímých a rozšířených aplikací. K tomu slouží proces posuzování shody, podle nařízení vlády, které se na daný výrobek vztahují. Na základě úspěšně ukončeného procesu posouzení shody výrobci vydávají svoje katalogy, vyrábějí výrobky, které jsou umisťovány na trh a následně zabudovávány do staveb. V žádném případě nemohou být hodnoty požárních odolností stavebních výrobků předmětem hodnotové normy.
V případě stavebních konstrukcí není možné, aby jednotlivá členská země měla duplicitní normu k evropským normám, tj. v tomto případě k návrhovým normám Eurokódům ČSN EN 199x-1-2, což je i důvod k zrušení ČSN 73 0821:1973 k datu ukončení přechodného období.
2 Namáhání konstrukcí vystavených požáru
Při požární situaci je konstrukce vystavena tepelnému a mechanickému zatížení, které se liší od zatížení podle mezních stavů pro běžnou teplotu. Tepelné zatížení se již po 130 let osvědčilo zjednodušeně většinou velmi konzervativně modelovat nominální normovou teplotní křivkou. Nižší mechanické zatížení při požáru oproti meznímu stavu únosnosti za běžné teploty je spolu s požární ochranou konstrukce zdrojem spolehlivosti konstrukcí při požáru. Pro prvky, které nejsou vystaveny stabilitním jevům lze uvažovat, že redukce namáhání odpovídá redukci zatížení. Pro tyto prvky lze konzervativně odhadnout nejnepříznivější možnou redukci zatížení a na tomto odhadu vypracovat tabulky požární odolnosti prvků.
Redukci zatížení lze popsat pomocí redukčního součinitele úrovně zatížení při požáru, který závisí na použitém kombinačním pravidlu pro stanovení návrhové hodnoty účinku zatížení pro běžnou teplotu, dílčích a kombinačních součinitelích. Účinek zatížení pro požární situace Efi,d, který se stanoví podle ČSN EN 1991-1-2, lze zjednodušeně získat analýzou konstrukce za běžné teploty ze vztahu
kde Ed je návrhová hodnota příslušné vnitřní síly nebo momentu, určená pro navrhování pro běžnou teplotu a pro základní kombinaci zatížení podle ČSN EN 1990, a ηfi redukční součinitel úrovně zatížení při požáru. Kombinační pravidla pro zatížení a redukční součinitel podle ČSN EN 1991-1-2, je pro jednotlivé materiály upřesněn v částech 2 jednotlivých norem ČSN EN 1992-1-2 až ČSN EN 1999-1-2, kde jsou též pro zjednodušený výpočet uvedeny konzervativní hodnoty jeho nejvyššího odhadu.
3 Tabulky požárních odolností
Pro potřeby projektové praxe je vhodné mít k dispozici jednoduše získatelné konzervativní hodnoty odhadu požární odolnosti, a proto byla vypracována příručka, která na základě evropských návrhových norem tyto hodnoty tabelárně a přehledně uvádí. Vypracování se v loňském roce ujalo Centrum technické normalizace pro požární ochranu PAVUS, a.s.,viz [1]. Závěr oponentního jednání, konaného 7. 10. 2009, doporučuje vydání příručky jako pomůcky pro projektanty a státní správu na úseku požární ochrany s vazbou na právní předpisy, § 99 Zákona č. 133/1985 Sb. o požární ochraně, a české technické normy, čl. 4.3 ČSN 73 0810:2009. Dále konstatuje, že hodnoty požární odolnosti, uvedené v příručce je možno považovat za průkazné a splňující podmínku jejich použití ve stavebním řízení.
Předpokladem použití hodnot požární odolnosti jednotlivých konstrukcí podle příručky je skutečnost, že posuzovaná konstrukce je navržena na účinky zatížení při běžné teplotě okolí podle příslušné normy soustavy evropských návrhových norem Eurokódů, soustavy ČSN EN 1990 až ČSN EN 1999 pro pozemní stavby.
Je třeba konstatovat, že hodnoty v tabulkách jsou výrazně konzervativní, tj. na straně bezpečné, a že pro přesnější výsledky lze stanovovat hodnoty požární odolnosti přímo výpočtem podle Eurokódů nebo zkouškou podle příslušných ČSN EN. V tabulkách nelze interpolovat, ale je možné použít dimenzi stanovenou pro vyšší požární odolnost.
V příručce, s ohledem na to, že je určena k přímému vyhledávání hodnot, nejsou uváděny zásady a postupy výpočtů podle Eurokódu a pro konkrétní informace se odkazuje na publikaci F. Wald a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, viz [2].
K normě ČSN 73 0821:1973 byla v květnu 2007 vydána norma ČSN 73 0821 ed. 2, , kterou není třeba rušit, poněvadž konstrukce, které jsou jejím předmětem, tj. hrázděné stěny, vložkové stropy, dřevěné stropy apod., nejsou konfliktní s EN. Mimo to ČSN 73 0821 ed. 2 obsahuje příklady a detaily spojování a napojování stěn, stropů a podhledů, příklady řešení spár, drážek a zárubní a příklady zajištění prostupů. Tyto příklady a detaily jsou obecně použitelné při provádění a zajištění požární odolnosti stavebních konstrukcí.
Snadnou dostupnost požárních klasifikací stavebních výrobků není třeba touto příručkou řešit, poněvadž jednotliví výrobci uvádějí certifikované výrobky ve svých katalozích. PAVUS, a.s., jako akreditovaná požární laboratoř, vede databázi vydaných klasifikací, viz URL: www.pavus.cz, v níž se lze jednoduše orientovat, a to jak podle druhu výrobků, průkazných hodnot požárních vlastností, době platnosti, tak i údajích o příslušném výrobci.
3 Rozsah tabulek v příručce
Pro betonové konstrukce byly hodnoty vypracovány podle ČSN EN 1992-1-2 pro redukční součinitel úrovně zatížení při požáru μfi = 0,7 a pro kritickou teplotu nepředpínaných prutů θcr = 500 °C. Tabulky zahrnují: železobetonové sloupy, nenosné stěny, nosné stěny, prostě podepřené nosníky, spojité nosníky, prostě podepřené desky s výztuží v jednom a dvou směrech, lokálně podepřené desky a prostě podepřené žebrové desky.
U ocelových konstrukcí lze podle ČSN EN 1993-1-2 pro zjednodušení použít hodnotu redukčního součinitele μfi = 0,65 kromě prostorů umožňujících nashromáždění zboží, kde se doporučuje hodnota 0,7. Při hodnocení požární odolnosti ocelových prvků je v tabulkách podle našich národních ověřených zvyků považována za kritickou teplotu: 500 °C u sloupů, nosníků, průvlaků, vazníků apod. zajišťujících stabilitu objektu nebo jeho části, nebo u sloupů podpírajících technická a technologická zařízení; 560 °C u zavětrovacích prvků, střešních nosníků, vaznic, krokví, či prvků střešních plášťů, roštových podlahových prvků apod. a 620 °C u nosných prvků obvodových plášťů, které nezajišťují stabilitu objektu ani jeho části. Pro nechráněné ocelové konstrukce je rozhodující přestup tepla do konstrukce, který výrazně závisí na součiniteli průřezu Am / V, kde Am je plocha povrchu prvku na jednotku délky a V objem prvku na jednotku délky. Tabulky pro ocelové konstrukce zahrnují ocelové nechráněné sloupy a nosníky, možný stupeň využití průřezu pro požární odolnost nechráněných ocelových nosníků a sloupy z nosných profilovaných plechů vyplněných betonem.
Pro spřažené ocelobetonové konstrukce, které se za požáru počítají podle ČSN EN 1994-1-2, se vycházelo ze stejné hodnoty redukčního součinitele ηfi = 0,65 jako pro ocelové konstrukce. Pro tabulky bez uvažování namáhání bylo možno využít hodnoty uváděné v normě pro spřažené sloupy se zcela i částečně obetonovaných ocelových průřezů, pro spřažené sloupy z ocelových dutých průřezů vyplněných betonem, pro spřažené částečně obetonované ocelové nosníky, spřažené sloupy a nosníky bez nosné funkce a pro spřažené stropy z nosných profilovaných plechů s betonovou deskou.
Pro dřevěné konstrukce je v kap. 2 ČSN EN 1995-1-2 pro zjednodušení doporučena hodnota ηfi = 0,6 mimo prostory citlivé na hromadění zboží včetně přístupových prostor, kde je doporučena hodnota ηfi = 0,7. Tabulky jsou zpracovány pro prvky z rostlého dřeva jehličnatých a listnatých dřevin a pro prvky z lepeného lamelovaného dřeva jehličnatých dřevin bez pláště požární ochrany metodou redukovaného průřezu pro nosníky a sloupy z jehličnatých dřevin a buku, nosníky a sloupy z listnatých dřevin mimo buku, nosníky a sloupy z lepeného lamelového dřeva, nosníky jsou vystavené požáru ze tří i čtyř stran a sloupy jsou vystavené požáru ze čtyř stran a hodnoty jsou zpracované pro délky 2,6 m, 2,8 m, 3,0 m, 3,2 m, 3,4 m, 6,0 m. U sloupů se předpokládá kloubové uložení jejich konců, vzpěrná délka je jejich výška.
Pro zděné konstrukce byly zjednodušeny tabulky zpracované v ČSN EN 1996-1-2 pro zdivo z pálených zdicích prvků, zdivo z vápenopískových zdicích prvků, zdivo z betonových tvárnic s hutným nebo pórovitým kamenivem a zdivo z pórobetonových tvárnic. V každé skupině zdicích prvků jsou zpracovány tabulky, a to pro zdivo bez omítky i s omítkou pro požárně dělicí nenosné (EI), požárně dělicí nosné (REI), požárně nedělicí nosné délky ≥ 1,0 m (R), požárně nedělicí nosné délky ≤ 1,0 m (sloupy) (R), požárně dělicí nosné a nenosné pro kritérium REI-M, EI-M.
4 Příklad použiti tabulek pro dřevěné konstrukce
Například se má ověřit požární odolnost dřevěného sloupu průřezu 100/100 mm z rostlého dřeva jehličnatých dřevin.
Délka sloupu je 3,0 m a je zatížen osovou silou Nd = 33 kN. Poměr rozhodujícího proměnného zatížení (užitného) a součtu stálých zatížení Qk,1/Gk = 2,0.
Nejprve se zjistí požární odolnost sloupu při maximálním zatížení, viz [1], tabulka 5.2.1c. Z této tabulky vyplývá, že požární odolnost sloupu R nepřekročí 10 minut, což je pro použití v konstrukci velice málo. Proti účinkům požáru proto sloup budeme chránit OSB deskami, jejichž tloušťka je 20 mm a hustota 550 kg/m3 a sloup posoudíme na požární odolnost R 30 minut. K výpočtu použijeme metodu redukovaného průřezu.
Doba do porušení pláště požární ochrany (OSB desky, hp = 20 mm, β0,4,50,20 = 0,9 mm/min)
Metoda redukovaného průřezu
Účinná hloubka zuhelnatění (musíme vzít v úvahu, že dřevo sloupu po odpadnutí pláště požární ochrany z desek OSB bude vystaveno plně rozvinutému požáru a rychlost zuhelnatění proto musíme uvažovat hodnotou 2βn = 2 . 0,8 = 1,6 mm/min)
Štíhlostní poměry
Součinitel vzpěrnosti
Návrhová pevnost v tlaku
Posouzení sloupu na vzpěr
Sloup na vzpěr pro R 30 vyhoví.
5 Shrnutí
Publikace Hodnoty požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů, viz [1], je zpracována odborníky z vědecké, výzkumné a pedagogické oblasti a je určena projektantům a pracovníkům státní správy na úseku požární bezpečnosti staveb. Uvádí tabelární hodnoty konzervativního odhadu požární odolnosti betonových, ocelových, spřažených ocelobetonových, dřevěných a zděných konstrukcí stanovených na základě zjednodušených konzervativních výpočetních postupů. Při dodržení v textu uvedených okrajových podmínek umožňuje příručka přímé bezpečné stanovení požární odolnosti. Nahrazuje zrušenou konfliktní ČSN 73 0821. Tím, že hodnoty jsou založeny na stanovení požární odolnosti podle evropských návrhových norem, jsou splněny podmínky zákona a vyhlášek o požární ochraně a ČSN 73 0810: 2009, a hodnoty z příručky jsou plně akceptovatelné v projektové dokumentaci pro stavební řízení.
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory výzkumného centra ČVUT v Praze 1M6840770001 "Centrum integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí".
Literatura
[1] Zoufal R. a kol.: Hodnoty požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů, PAVUS, a.s., Praha 2009, ISBN 978-80-904481-0-0.
[2] Wald F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, České vysoké učení technické v Praze, Praha 2005, 336 s., ISBN 80-0103157-8.
Normy
ČSN 73 0810:2009 Požární bezpečnost staveb, Požadavky na požární odolnost stavebních konstrukcí, ÚNMZ Praha, 2009.
ČSN 73 0821:2007 Požární bezpečnost staveb, Požární odolnost stavebních konstrukcí, ČNI Praha.
ČSN 73 0821:1973 Požární bezpečnost staveb, Požární odolnost stavebních konstrukcí, ČSNI Praha, 1973 včetně změn: a)-3.80, b)-6.83.
ČSN EN 1990: Eurokód, Zásady navrhování konstrukcí, ČSNI, Praha 2004.
ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí, Obecná zatížení, Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru, ČSNI, Praha 2004.
ČSN EN 1992-1-2: Navrhování betonových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování na účinky požáru, ČNI, Praha 2006.
ČSN EN 1993-1-2: Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha 2006.
ČSN EN 1994-1-2: Navrhování ocelobetonových konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha 2006.
ČSN EN 1995-1-2: Navrhování dřevěných konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČSNI, Praha 2006.
ČSN EN 1996-1-2: Navrhování zděných konstrukcí, Obecná pravidla, Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČSNI, Praha 2006.
Prepared text by experts from scientific, research and teaching and is designed for planners and government workers in the resort fire safety. Value measurements indicates a conservative estimate of fire resistance by concrete, steel, steel-concrete, wood and masonry structures of the relatives simple calculations metod. In compliance with the text set and boundary conditions allows safe setting fire resistance. Replaces repealed conflicting CSN 73 0821. The values are based on the determination of fire resistance according to European design standards, the conditions of the Act and regulations on fire prevention and CSN 73 0810: 2009, and the value of the manuals are fully acceptable in the project documentation for construction management. The Eurocodes standards providing calculation methods to determine the efforts applied to each elements which play a structural role in structures submitted to given actions and to check if the mechanical strength of each element is sufficient to resist to this effort.