Požární odolnost a tuhost dřevostaveb

• Foto

V roce 2017 bylo v ČR dokončeno celkem 14 548 rodinných domů, což je o 533 domů více než v roce 2016. Domy s nosnou konstrukcí na bázi dřeva zaznamenaly meziroční nárůst cca 7 %. U domů postavených tradičními technologiemi byl zaznamenán meziroční nárůst cca 3 %. Z výše uvedeného vyplývá, že dynamika růstu počtu dokončených rodinných domů s nosnou konstrukcí na bázi dřeva v ČR je zhruba 2,5 krát vyšší, než u domů postavených tradičními technologiemi.

Podle dostupných údajů bylo v roce 1999 v ČR dokončeno pouze 92 rodinných domů s nosnou konstrukcí na bázi dřeva a v roce 2017 již 2 159. Znamená to, že jejich podíl na celkovém počtu dokončených rodinných domů v ČR dosahuje již téměř patnácti procent a neustále meziročně roste.

Vývoj podílu domů s nosnou konstrukcí na bázi dřeva (dále jen dřevostaveb) na realizaci rodinných domů v ČR je uveden v tab. 1.

POŽÁRNÍ ODOLNOST DŘEVOSTAVEB

Pro hlubší poznání problematiky požární odolnosti dřevostaveb provádíme v současnosti vedle požárních zkoušek jednotlivých stěnových a stropních dílců i zkoušky celých objektů.

Dosud prováděné zkoušky byly zaměřeny zejména na lehké dřevěné skelety, které se u nás nejvíce používají a současně jsou za požáru nejzranitelnější. Při těchto zkouškách se ukázalo, že při skutečném požáru mohou teploty při nepříznivých okrajových podmínkách (horké léto) dosáhnout vyšších hodnot, než podle nominální normové teplotní křivky podle ISO 834-1 [1], viz obr. 1. Podstatné však je, že zuhelnatění dřeva je především ovlivněno délkou požáru a zuhelnatění dřeva se neřeší v doméně teploty. 

Cílem požárních zkoušek je vedle prokázání požární odolnosti určité skladby stěn či stropů dřevostavby též přispět k prohloubení poznání problematiky její požární odolnosti v souvislosti s přípravou nových návrhových postupů pro 2. generaci části 1-2 Eurokódu 5 (EN 1995-1-2), zavedené u nás jako ČSN EN 1995-1-2 [3].

Porovnáním výpočtů s experimenty se ukazuje, že stávající výpočetní postupy jsou konzervativní. Příkladem toho, co není dořešeno, je především lepší zohlednění příspěvku plášťů stěn a stropů dřevostaveb z desek na bázi sádry a dřeva k jejich požární odolnosti. 

Dosavadní předpoklad, že při dosažení teploty 300 °C za pláštěm dřevostavby dojde k jeho odpadnutí, není v různých případech správný, což potvrzuje řada provedených zkoušek. V části 1-2 Eurokódu 5 [3] je s touto skutečností již počítáno. Co ale zatím chybí je výpočetní vztah, podle kterého by se dal určit čas odpadnutí pláště t_f z důvodu ztráty jeho celistvosti. Zatím čas t_f můžeme stanovit pouze s ohledem na selhání spojů pláště a dřevěného rámu dřevostavby. Věcí k řešení je ale samozřejmě více a pracovní skupina WG4 komise CEN TC 250/SC 5 (Konstrukční Eurokódy/Dřevěné konstrukce) se jimi snaží maximálně zabývat. Například v případě času odpadnutí pláště tf na základě ztráty jeho celistvosti výzkum ukazuje, že tato hodnota je závislá nejen na druhu desky, ale též na jejím použití, zda se jedná o aplikaci do stěnové, či stropní konstrukce.

Co bychom, ale v oblasti požární bezpečnosti/odolnosti dřevostaveb měli přednostně řešit na naší národní úrovni, je následující problematika, jejíž řešení začíná být velmi akutní.

Předně se jedná o přehodnocení kategorizace druhů konstrukčních částí DP1, DP2 a DP3. Tato kategorizace platí jen u nás a na Slovensku. Ostatní země EU tuto kategorizaci nemají a v komunikaci s nimi to způsobuje různé komplikace včetně obchodních. Vhodné by bylo přejít na evropský model s kategorizací K1 a K2. Je to něco obdobného, jako když jsme opustili naši kategorizaci tříd stupně hořlavosti a nahradili ji evropskou kategorizací tříd reakce na oheň. Dále je třeba přehodnotit kategorizaci požárně otevřených a uzavřených vnějších povrchů obvodových stěn dřevostaveb s ohledem na odstupové vzdálenosti. Tato kategorizace vznikla v době, kdy se u nás stavělo především z betonu a cihel. Pro dřevostavby je tato kategorizace neobjektivní a velmi omezující. V řadě případů totiž použití dřevostavby neumožňuje. V současnosti
je to stále více markantní také s ohledem na to, že se rozměry pozemků pro výstavbu domů z cenových důvodů stále zmenšují.

VÍCEPODLAŽNÍ DŘEVOSTAVBY

Problematika k řešení, zmíněná v předchozím textu, je nyní ještě významnější s ohledem na trend ve větší míře realizovat dřevostavby vícepodlažní.

Je všeobecně známo, že klíčovým problémem vícepodlažních dřevostaveb je vedle požární odolnosti též jejich tuhost. Při řešení této problematiky hrají významnou roli kompozitní dřevobetonové stropy.

ČVUT v Praze se proto již delší dobu této problematice věnuje. V případě požární odolnosti těchto stropů nejen s betonovou deskou vyztuženou klasicky, ale i s rozptýlenou výztuží. Předmětem výzkumu jsou též prefabrikované dřevobetonové stropní konstrukce a vývoj nových spřahovacích prostředků.

Mezi v současnosti nejvíce používané spřahovací prostředky patří SFS vruty.

Chování spřažení s SFS vruty při požáru je primárně závislé na teplotě dřeva v okolí spřahovacích prostředků. Se stoupající teplotou dřeva únosnost a tuhost spřažení klesá. Nerovnoměrný průběh teploty podél osy vrutu je ovlivněn geometrií průřezu (rozměry průřezu, hloubkou zapuštění vrutů ve dřevěném průřezu, vodorovnou vzdáleností vrutů od okraje průřezu, vzdáleností vrutů od sebe) a spárami mezi dřevěným bedněním a dřevěným nosníkem, viz obr. 2.

Na základě dosud provedených a vyhodnocených požárních zkoušek bylo možné odvodit hodnoty modifikačních součinitelů pro navrhování spřažených dřevobetonových průřezů na účinky požáru podle ČSN EN 1995-1-2 [3], viz tab. 2.

Modifikační součinitel pro požár k_{mod, fi} zohledňuje redukci pevnostních a tuhostních vlastností při zvýšených teplotách. Modifikační součinitel pro požár k_{mod, fi} nahrazuje modifikační součinitel pro navrhování při běžné teplotě k_mod uvedený v ČSN EN 1995-1-1 [2]. 

Pro vícepodlažní dřevostavby se stále více používá křížem vrstvené dřevo CLT, viz obr. 3.

Pro výrobu křížem vrstveného dřeva sice již existuje evropská výrobková norma, která u nás byla zavedena jako ČSN EN 16351 [4], ale neexistují zatím technické normy, které by dávaly projektantům podklady pro navrhování konstrukcí z tohoto materiálu/výrobku za běžné teploty a za požáru. Tyto normy se v současnosti připravují pro 2. generaci jednotlivých částí Eurokódu 5 [2], [3].

CLT samo o sobě je schopné odolávat požáru. Jestliže je dřevo přiznané, bez jakéhokoliv protipožárního obkladu, stačí přidat vrstvu (vrstvy) navíc a panel z CLT může dosáhnout požadované požární odolnosti. Pro hodnocení požární odolnosti CLT se zatím používají různé postupy. Například, že když u stěny provedené z panelů CLT odhoří první svislá vrstva, druhá vodorovná vrstva odpadá a nijak únosnosti nepřispívá. U klasického pětivrstvého panelu z CLT s vrstvami tloušťky 24 mm tak, v případě 30minutového požáru zatížení přenášejí jen tři vrstvy. Některé firmy uvádějí ve svých technických listech k CLT panelům rychlost zuhelnatění pro první vrstvu 0,65 mm / min a pro další vrstvy rychlost zuhelnatění 0,8 mm/min.

Pro výpočet únosnosti konstrukčního CLT panelu za požáru se potom dá použít metoda redukovaného průřezu podle ČSN EN 1995-1-2 [3]. Předmětem diskusí však je otázka, jak by se měla uvažovat tloušťka vrstvy nulové pevnosti. Zatím se doporučuje ji uvažovat 10 mm, když je požárem zasažena tažená část CLT (stropní panely) a 16 mm, když je zasažena tlačená část CLT (stěnové panely).

Předmětem diskusí též je, zda uvažovat za účinnou příčnou vrstvu, když do ní zasahuje hloubka zuhelnatění, stanovená podle ČSN EN 1995-1-2 [3].

V současnosti je nejvyšší dřevostavbou v Evropě obytná budova Treet v Bergenu, která má 14 podlaží a výšku 52,8 m. Samozřejmě si můžeme položit otázku, jak je to možné, že v Norsku byla postavena tak vysoká budova, když Norové běžně staví vícepodlažní budovy pouze do osmi podlaží. V případě, že se staví nad osm podlaží, tak již aplikují sofistikované metody požárního inženýrství. Požární inženýrství je v současnosti v Evropě vnímáno jako disciplína, která přistupuje k otázkám požární bezpečnosti komplexním způsobem a využívá postupy, které jsou odlišné od tradičních způsobů řešení požární bezpečnosti. Tyto postupy se stále více využívají jako alternativní přístup k tradičním normovým postupům zejména v případech, kdy aplikace standardních normativních přístupů vede k neefektivním, nepřiměřeným či dokonce neproveditelným opatřením. V současné době řada zemí Evropy řeší otázku změny předpisů požární bezpečnosti, aby jim dávaly stejné možnosti uplatnění dřeva ve stavebnictví jako v případě ostatních stavebních materiálů.

S ohledem na to, že dřevo je vláknitý materiál, výrazně se od sebe liší jeho vlastnosti rovnoběžně a kolmo k vláknům. U vícepodlažních dřevostaveb s lehkým dřevěným skeletem je proto třeba, vedle jejich požární odolnosti, věnovat mimořádnou pozornost i jejich svislému přetvoření s ohledem na to, že pod sloupky lehkého skeletu dochází k jejich zatlačování do horizontálních prahů, viz obr. 4.

Ve spolupráci s firmou RD Rýmařov se snažíme této problematice věnovat mimořádnou pozornost a provádíme různé zkoušky a následné numerické modelace v zájmu hlubšího poznání této problematiky, viz obr. 5 a 4.

V současnosti například probíhají dlouhodobá měření na konstrukci vícepodlažního domu, viz obr. 5, aby bylo možné odvodit co nejpřesnější výpočetní vztahy pro určení svislých deformací dřevostavby, na základě kterých by bylo možné tyto deformace co nejpřesněji určit a různými způsoby omezit.

ZÁVĚR

Ačkoliv v minulých letech bylo získáno mnoho významných poznatků o chování dřevostaveb za požáru, stále je co hlouběji analyzovat a poznávat. Mezery v poznání jsou například v těchto následujících oblastech.

Data pro skutečné požáry

K dispozici je nedostatek statistických informací o požárech reálných dřevostaveb. Tyto informace chybí ve většině zemí. Aby se mohly vyvinout pravděpodobnostní návrhové metody, je nutné mít k dispozici data o počtu a závažnosti požárů, efektivitě automatických a ručních hasicích prostředků.

Experimenty na konstrukcích skutečných rozměrů

Více experimentů na konstrukcích skutečných rozměrů je potřeba pro zjištění informací o závažnosti požárů. Kvůli zvyšujícímu se trendu vícepodlažních dřevostaveb je důležité specifikovat vliv hořlavých materiálů na intenzitu požáru, zejména když v konstrukci není žádné zapouzdření nosné konstrukce a ani sprinklery.

Experimenty v malém měřítku

Více experimentů na zmenšených modelech je potřeba pro stanovení míry zuhelnatění různých druhů dřeva a výrobků na bázi dřeva při skutečném požáru. Zejména pro poznání samozhášecích vlastností různých druhů dřeva a vlastností dřeva při různých stupních vystavení požáru, pro hodnocení účinků různých typů požárních zarážek, pro poznání chování různých typů spojů atd.

Modelování

Existující požární modely musí být propracovány tak, aby mohly zahrnout změny ve ventilačních podmínkách při rozvoji požáru a přesunu požáru ve velkých prostorech. Kvůli dřevěným konstrukcím musí být do modelů zahrnut příspěvek hořlavosti materiálů. Jednoduché výpočetní modely mohou být použity pro návrh velkorozměrných prvků dřevěných konstrukcí, pokud je známa rychlost zuhelnatění dřeva. Nicméně rychlost zuhelnatění dřeva je dobře známa pouze u vystavení dřeva nominálnímu normovému požáru. Je ale nutné prohloubit poznatky o rychlosti zuhelnatění dřeva v případě jeho vystavení skutečnému požáru. Je třeba více výzkumu, který by zahrnoval i experimenty ve velkém měřítku pro zjištění rychlosti zuhelnatění, potřebné pro jednoduché výpočetní modely aplikovatelné na skutečné požáry. Pokročilé modelování může být provedeno použitím metody konečných prvků (FEM). Pokročilé metody jsou důležité pro vývoj jednoduchých modelů zuhelnatění, ale nejsou obvykle používány pro navrhování. Hlavním problémem pro vývoj pokročilejších výpočetních modelů je získání přesných časově závislých a teplotně závislých tepelných vlastností materiálů. Kompletní požární modelování konstrukcí pomocí FEM vyžaduje propojení tepelné a mechanické analýzy. Tato analýza je velmi složitě proveditelná kvůli velkému počtu neznámých vstupních hodnot. Nicméně pro standardní vystavení nominálnímu normovému požáru bylo již dosaženo obrovského rozšíření poznání.

Návrh zohledňující užitné vlastnosti konstrukce

Je potřeba mezinárodní dohoda pro celkovou koncepci návrhu s uvážením užitných vlastností materiálů v zájmu požární bezpečnosti (a požární odolnosti) staveb, konzistentní pro všechny materiály. Založena by měla být na požárním návrhu pro různé typy a velikosti budov a uživatelů. Je to důležité pro vývoj pravděpodobnostních nebo semi-pravděpodobnostních návrhových metod požární bezpečnosti.

PODĚKOVÁNÍ
Tento článek byl zpracován za podpory projektu TE02000077 „Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj“ a projektu ČVUT v Praze SGS17/125/OHK1/2T/11 – Navrhování dřevobetonových kompozitních stropů na účinky požáru.

LITERATURA
[1] ISO 834-1:1999 Fire resistance tests – Elements of building construction – Part 1: General requirements. International Standards Organization, 1999.
[2] ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006.
[3] ČSN EN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. ČNI, Praha, 2006.
[4] ČSN EN 16351 Dřevěné konstrukce – Křížem vrstvené dřevo – Požadavky, ÚNMZ, Praha, 2016.

Autoři

• Doc. Ing. Kuklík Petr CSc.
• Gregorová Anna
• Velebil Lukáš