Požární odolnost vícepodlažních budov na bázi dřeva
Tento příspěvek je věnován požární odolnosti vícepodlažních budov s lehkým dřevěným skeletem. Výpočetní postupy udávané Eurokódem jsou aplikovatelné pouze zjednodušeně a na omezené množství stavebních prvků. Pro vědeckou činnost v této oblasti jsou nepostradatelné požární experimenty a jejich následné vyhodnocení pomocí numerických a analytických modelů.
Kromě řešení požární odolnosti jednotlivých dílců lehkých skeletů (stropy, stěny) a jejich závislosti na jednotlivých materiálech, lze řešit vliv příspěvku deskových materiálů ke zvýšení požární odolnosti dřevěných konstrukčních prvků a dílců.
1 Úvod
Dřevěné konstrukce ve stavebnictví získávají v posledních letech velkou oblibu. Převažující je skeletový konstrukční systém, který je výhodný převážně kvůli jeho rozmanitému dispozičnímu a konstrukčnímu řešení, snadnosti a rychlosti montáže s nenáročnými montážními prostředky. Tento systém je využíván převážně v bytové výstavbě. Kvůli požadavkům na požární ochranu staveb se musí dodržovat určitá pravidla a omezení, kde hlavně u dřevěných konstrukcí jsou stále kladeny velmi přísné požadavky. V požární ochraně velmi dobře přispívají k požární odolnosti konstrukčních dílců a prvků obalové deskové materiály, které kryjí dřevěné prvky. Klíčová problematika u vícepodlažních dřevostaveb je z technického hlediska především – požární odolnost, prostorová tuhost a akustika. U budov ze dřeva a materiálů na bázi dřeva jsme omezeni požární výškou (výška od podlahy 1. nadzemního podlaží po podlahu posledního nadzemního podlaží) 12 m, v ČR tedy mohou dřevěné budovy mít až 5 nadzemních podlaží. Výhody vícepodlažních dřevěných budov jsou následující: rychlost výstavby (není ovlivněno počasím), vysoký stupeň lehké prefabrikace a snížení požadavků na zařízení staveniště, nižší zatížení základů a tím i nižší náklady na jejich realizaci, dispoziční flexibilita, rozměrová přesnost, příznivý dopad na životní prostředí atd.
2 Požární bezpečnost dřevostaveb
Dřevěné konstrukce řadíme do konstrukčního systému hořlavého. Jedná se o konstrukční systémy, které se skládají z konstrukčních prvků typu DP2 nebo DP3, případně kombinace, která neodpovídá konstrukčnímu systému nehořlavému ani smíšenému. Tento konstrukční systém (obrázek č. 1) je omezen požární výškou, která se v květnu r. 2009 v ČR zvýšila z 9 m na 12 m. Pro dřevěné konstrukce toto zvýšení požární výšky znamená velký přínos a nové možnosti. Avšak nesmíme zapomenout, že objekty, které mají požární výšku od 9 m do 12 m, musí mít navrženou chráněnou únikovou cestu, tedy konstrukci DP1 staticky nezávislou na konstrukcích DP2 a DP3.
Obrázek č. 1 – Hořlavý konstrukční systém objektů z požárního hlediska
3 Požární odolnost vícepodlažních budov na bázi dřeva
Obecně lze požární odolnost dřevěných konstrukcí zjišťovat několika způsoby:- klasifikací podle výsledků zkoušek podle příslušných norem specifikovaných pro konkrétní druh konstrukční části v ČSN EN 13501–2 a ČSN EN 13501–3
- pomocí normové hodnoty (podle ČSN 73 0821ed.2 (případně pomocí publikace Hodnoty požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů), nebo výpočtem
- zkouškou a výpočtem v těch případech, že zkouškou nelze postihnout všechny činitele ovlivňující požární odolnost anebo pokud výsledky zkoušek vyžadují pro konkrétní aplikaci další posouzení
Pro zjišťování požární odolnosti dřevěných konstrukcí vystavených účinkům požáru platí ČSN EN 1995–1-2. V této normě jsou uvedeny výpočetní postupy pro zjištění nejen jejich únosnosti, ale i celistvosti a izolační funkce při požáru.
3.1 Příspěvek požární odolnosti deskových materiálů k prvkům a dílcům ze dřeva a materiálů na bázi dřeva
Požární odolnost dřevěných konstrukcí můžeme ovlivnit (zvýšit) pomocí materiálů, kterými snížíme úplně nebo částečně podmínky pro jejich hoření. Protipožární opatření nám slouží, buď ke zlepšení reakce na oheň, nebo ke zvýšení požární odolnosti. Ke zlepšení reakce na oheň lze dosáhnout buď omezením přístupu vzduchu k povrchu dřeva, což lze provést např. pokrytím tohoto povrchu nehořlavou, tepelně izolující látkou, nebo například pomocí hloubkové impregnace dřeva roztokem látky, která znemožňuje či omezuje hoření např. vytvářením nehořlavých plynů. Vedle reakce na oheň je rozhodujícím požadavkem na požárně technické vlastnosti dřevěných konstrukcí jejich požární odolnost. U tyčových nosných prvků se jedná o parametr R (únosnost a stabilita), u plošných – svislých nebo vodorovných konstrukcí jde o mezní kritéria R, E, I (nosnost, celistvost, izolace). Pro zvýšení požární odolnosti se nejčastěji používají různé dřevovláknité a sádrové desky. U lehkých skeletů nám také přispívá k požární odolnosti minerální izolace, vkládaná mezi dřevěné prvky. Rozdíl mezi zuhelnatěním dřevěného prvku ze sestavy s prázdnou dutinou a dutinou vyplněnou izolací je patrný z obrázku č. 2.
Obrázek č. 2 – Zuhelnatění dřevěných sloupků ve stěnové sestavě
3.1.1 ČSN EN 1995 – 1 – 2
V prvé řadě je třeba si uvědomit, že požární odolnost lze vypočítat pomocí Eurokódu pouze do doby 60 minut. U chráněných dřevěných prvků je:
- počátek zuhelnatění posunut až do času tch
- k zuhelnatění může dojít před porušením požární ochrany, ale nižší rychlostí, než je uvedená v tabulce v Eurokódu až do času porušení požární ochrany tf
- po čase porušení požární ochrany tf, je rychlost zuhelnatění zvýšena nad hodnoty uvedené v tabulce v Eurokódu až do času ta
- v čase ta, když je hloubka zuhelnatění rovná buď hloubce zuhelnatění stejného prvku bez požární ochrany, nebo 25 mm, podle toho, která hodnota je menší, se rychlost zuhelnatění vrací k hodnotě v tabulce Eurokódu
- čas do počátku zuhelnatění prvku tch
- čas porušení protipožárního obvodového pláště nebo jiného ochranného materiálu tf
- rychlost zuhelnatění před porušením ochrany, když tf > tch.
Na základě těchto zjištěných hodnot, provádíme výpočet dále podle Eurokódu. Také by se měl uvážit účinek nevyplněných mezer, které jsou větší než 2 mm, ve spojích a obložení na počátek zuhelnatění a případně na rychlost zuhelnatění před porušením ochrany. Pro výpočet požární odolnosti nosných stropních nosníků a sloupků stěn v sestavách, jejichž dutiny jsou zcela vyplněny izolací, slouží příloha C, ČSN EN 1995–1-2. Nominální zbytkový průřez se určuje podle obrázku č. 5.
Nominální hloubka zuhelnatění se stanoví takto:
d char,n = ßn · t
kde:
d char,n - nominální návrhová hloubka zuhelnatění, která zahrnuje účinek zaoblení rohů;
ßn - nominální návrhová rychlost zuhelnatění, jejíž rozsah zahrnuje účinek zaoblení rohů;
t - doba vystavení účinkům požáru.
Obrázek č. 5 – Nominální zbytkový průřez prvku dřevěného rámu chráněného izolací v dutině
Postup výpočtu nominální rychlosti zuhelnatění je uveden v příloze C. Pro výpočet zuhelnatění prvků v sestavách stěn a stropů s prázdnými dutinami slouží příloha D. Pro analýzu dělicí funkce stěnových a stropních sestav je k dispozici příloha E. Pro dělicí funkci mají být splněna 2 kritéria – izolace (I) a celistvost (E). Předpokládá se, že požadavky na celistvost jsou splněny tam, kde jsou splněny požadavky na izolaci a desky zůstávají připojeny k dřevěnému rámu na straně nevystavené požáru. Tato příloha nám tedy udává pouze zjednodušenou metodu pro analýzu izolace. Pro dělicí prvky se má ověřit, že:
tins ≥ treq
kde:
tins - čas potřebný pro dosažení vzrůstů teploty na straně nevystavené požáru;
treq - požadovaná doba požární odolnosti pro dělící funkci sestavy
K zuhelnatění dřeva dochází po dosažení teploty 300 °C. Tato teplota může být dosažena pod pláštěm požární ochrany i za předpokladu, že ochrana ještě neodpadla. Eurokód tento případ řeší pouze zjednodušeně, proto je velmi výhodné provést požární zkoušku.
3.1.2 ENV 13381–7
Tato zkušební norma specifikuje zkušební postup pro zjištění příspěvku systémů požární ochrany k požární odolnosti konstrukčních prvků ze dřeva. Na základě této normy se zjistí schopnost protipožárního ochranného systému zpomalit růst teploty v dřevěném prvku, zachovat si soudržnost a zachovat vazbu k dřevěnému prvku a poskytnout hodnoty tepelných charakteristik protipožárního ochranného systému při zatížení podle nominální teplotní křivky. Dále je tento zkušební postup vhodný pro dřevěné konstrukční prvky, které obsahují mezi sebou izolační materiály.
Příloha B popisuje vztah této zkušební metody a vyhodnocení získaných výsledků z ČSN EN 1995–1-2 a návod na použití této zkušební metody. ČSN EN 1995–1-2 nebere v úvahu to, že rychlost zuhelnatění je v případě protipožárního chráněného prvku odlišná, než v případě nechráněného. Po odpadnutí protipožárního ochranného obložení, rychlost zuhelnatění β´´ chráněného prvku (křivka b) bude vyšší než rychlost zuhelnatění β´ odpovídající nechráněnému prvku (křivka a). Pokud protipožární obložení zůstane přichycené k dřevěnému prvku, rychlost zuhelnatění bude ovlivněná izolačním účinkem tohoto obložení (křivka c). Při použití tpr, β´a β´´ se výrazy z EN 1995–1-2 nahradí takto:
dchar ,n = β0 t za d char=β0kβ(t - t pr)
dchar =βt za dchar = β kβ(t - tpr)
kde:
kβ = β'' / β'
4 Závěr
Dřevo je hořlavé a zápalné, ale jeho požární odolnost velmi významně ovlivňuje protipožární obložení (z desek na bázi dřeva, sádry atd.), které nejdříve zcela brání a později snižuje jeho rychlost zuhelnatění. Eurokód 5 velmi zjednodušeně a omezeně řeší tuto problematiku. Problémem je především odlišení času počátku zuhelnatění dřeva za deskami a času porušení desek. Pokud protipožární ochranné obložení odpadne, například následkem ztráty přilnavosti nebo selháním uchycení, rychlost zuhelnatění chráněného prvku bude vyšší než rychlost zuhelnatění nechráněného prvku. Pokud protipožární ochranné obložení zůstává přichycené k dřevěnému prvku, rychlost zuhelnatění je snížena izolačním účinkem protipožárního ochranného obložení. Pomocí nové zkušební normy ENV 13381-7 lze pomocí požární zkoušky stanovit tyto výše uvedené kritické časy a dále postupovat pomocí výpočtu uvedeného v ČSN EN 1995-1-2.
PoděkováníTento příspěvek byl zpracován za podpory projektu SGS ČVUT “Požární odolnost vícepodlažních budov na bázi dřeva“.
Odkazy
[1] ČSN EN 1991–1-2, Zatížení konstrukcí, část 1–2: Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. ČNI Praha, 2006[2] ENV 13381 – 7, Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members – Part 7: Applied protection to timber members. CEN, 2008
[3] Kuklík, P. - Kuklíková, A.: Navrhování dřevěných konstrukcí. Příručka k ČSN 1995-1, IC ČKAIT 2010
[4] Kupilík, V. Přednášky z předmětu: Konstrukce pozemních staveb 5C – Požární bezpečnost staveb [online]. Dostupné z: https://kps.fsv.cvut.cz/index.php?lmut=cz&part=vyuka&sub=obor&type=oc& kod=124KP5C
[5] Buchanan, A.H.: „Fire performance of timber construction,“ Progress in Structural Engineering and Materials, 2000, 2, p. 278-289
This paper is focused to the fire resistance of multi-storey buildings with light wooden skeleton. Computational procedures in Eurocode are applicable simply and only for a limited number of building elements. For scientific work in this topic are indispensable fire experiments and their subsequent evaluation by means of numerical and analytical models.