Požární odolnost budov s dřevěnou kostrou

The fire resistance of timber frame buildings

Timber construction is good choice from the fast and ecological buildings. Light timber frame construction is widely used in the residential houses and multistorey buildings (one to four storeys). This report is interest in the fire resistance of the wall of the light frame constructions using timber. Light frame construction can have excellent fire behaviour, provided it is well constructed from the correct material. Fire resistance is assigned to compete assemblies of light frame construction, not to the individual components. Keywords: fire, fire test, light timber frame construction, wood, plasterboard.

LEHKÉ DŘEVĚNÉ SKELETY
Lehké skelety jsou nejrozšířenějším typem budov na bázi dřeva.

Opláštění
Při požáru dochází na ohněm namáhané straně sendvičové konstrukce ke zvýšení teploty. Pokud je na exponované straně umístěna sádrokartonová nebo dřevovláknitá deska, dochází ke zpoždění šíření teplot. Teplota uvnitř konstrukce rámu se zvyšuje pozvolna. Zpoždění nárůstu teplot v konstrukci je právě ovlivněno použitím typu pláště, počtem jeho vrstev. Pro opláštění sendvičové konstrukce sádrokartonovou deskou mohou být použity tři typy desek:

• Běžně používaná deska – pro stěny bez požadavku na požární bezpečnost. Deska má velmi malou odolnost. Po odhoření papíru a dehydrataci sádry se deska hroutí.
• Desky odolné proti ohni – desky jsou zpevněny skelnými vlákny a mohou mít ještě další přísady pro zvýšení odolnosti.
• Speciální desky – konstrukčně se tyto desky předsazují před výše uvedený typ desek. Tyto desky mají větší podíl skelných vláken a speciálních přísad pro zvýšení požární odolnosti.

Dřevovláknité desky, které se používají pro opláštění konstrukce lehkých dřevěných skeletů, mají hustotu větší nebo rovnu 450 kg/m³. Při požáru tato deska odhořívá obdobně jako rostlé dřevo. Po dobu její celistvosti
je nárůst teplot uvnitř konstrukce zpožďován.

Izolace
Mezera mezi trámky lehkého dřevěného skeletu se vyplňuje skelnou vatou nebo minerální vlnou. Pokud je izolace v celé tloušťce panelu, pak není nosný systém skeletu (sloupky a výztuhy) po ztrátě opláštění chráněn pouze ze strany odpadnuvšího pláště. Společnost Forintek [1] provedla testy, ve kterých použila izolaci ze skelných i minerálních vláken. V experimentu bylo také ověřeno odhořívání sloupků stěny při porušení nebo neporušení pláště lehkého skeletu. Poměr odhoření je vidět na obrázcích níže. Zatížení požárem proběhlo podle normy ASTM E-119. Obr. 1 až 6 ukazují odhoření sloupku stěny po 50 minutách. Na obr. 1 až 3 jsou s neporušenou sádrokartonovou deskou. Obr. 4 až 6 jsou s porušenou sádrokartonovou deskou.

Nosné prvky
Nosnými prvky v sendvičové konstrukci lehkého dřevěného skeletu jsou dřevěné sloupky. Jejich únosnost při požáru závisí na zbytkovém průřezu sloupku. Pro stavební účely je nejdostupnější dřevo jehličnanů, u nás smrk. I v okolních zemích je pro lehké dřevěné skelety využíváno hlavně smrkové dřevo. V zámoří vedle něj i dřevo borovic a jedlí. Podle zatížení se využijí třídy pro pevnosti řeziva v běžném rozsahu S 13 a S 10.
Při vystavení ohni dochází u dřevní hmoty k pyrolýze. Změny pyrolyzovaného dřeva se při požáru a zplyňování projeví hlavně na redukci hustoty materiálu. Browne [2] popsal chování dřeva při procesu hoření do čtyř etap. Tento popis se hodí pro představu běžných průřezů, namáhaných ohněm:

• 95–200 °C – Transport vodní páry a možné odhořívání dřeva.
• 200–280 °C – Vodní pára, kyselina mravenčí, kyselina octová a glyoxal unikají, zapálení je možné, ale nesnadné.
• 280–500 °C – Zápalné plyny se ředí s uhlíkovými dioxidy a vodní párou.
• Zasažené vrstvy průřezu černají. Vyskytuje se rozvinutý požár. Jak se teplota přibližuje 500 °C, tloušťka hořících vrstev vzrůstá.
• 500 °C a víc – Hlavní složka požárem zasažené části se mění v dřevěné uhlí, to žhne a je stravováno ohněm.

Podle Browneho je minimální hodnota tepla, potřebného k iniciaci prvotního zahoření, 13 kW/m² a 25 kW/m² pro spontánní zahoření.
Dřevo na počátku požárního namáhání získává větší pevnost tím, jak z něj uniká vlhkost. Při dosažení okolní teploty cca 300 °C začíná dřevo hořet. Od této doby se začíná uvažovat o zbytkovém, nosném, průřezu a o ohořelé, nenosné, zóně. Na obr. 1 až 6 je dobře vidět vliv tepelné izolace i porušení pláště na míru odhoření dřevěného sloupku. Při výpočtu zbytkové únosnosti sloupku po požáru, nebo naopak pro stanovení požární odolnosti ještě před vypuknutím požáru se u nás i v zahraničí používá hodnota rychlosti, se kterou ubývá hmota dřeva při požáru.

Spojovací prostředky
Nejčastěji se u lehkých stěnových skeletů používají hřebíkové spoje a vruty. Šrouby a svorníky bývají zastoupeny v malém množství. Doktorská práce je zaměřena na obvodové stěny, ve kterých se právě nejvíce využije vrutů a hřebíků. Hřebíky a vruty jsou nejčastějším spojovacím prostředkem ve dřevěných konstrukcích. Kvůli jejich snadnému použití a přilnavosti k povrchu dřevní hmoty. Oslabení otvory ve dřevěném průřezu je zanedbatelné. Namáhání hřebíků se roznese do větší části průřezu, než v případě svorníku. Velké množství hřebíků bývá často nahrazeno plechem s prolisovanými trny, pak má ale spoj menší požární odolnost, neboť příliš velká část spojovacího prostředku je vystavena ohni.
Vruty mají oproti hřebíkům více výhod. Lepší je jejich pevnost proti vytažení. Nevýhodou v některých situacích může být jejich menší poddajnost oproti hřebíkům. Požární odolnost spojů s vruty ve dřevě není značná, ale hodně poznatků je z jejich praktických použití.

POŽÁRNÍ TESTY
Nejlepším průkazem způsobilosti lehkých dřevěných skeletů jsou testy konstrukcí ve skutečném měřítku. Zkoušet se mohou části stěn, celé stěny nebo celé budovy.

Testy stěn
Chování stěny při skutečném požáru je vždy jiné než při požáru normovém. Různé jsou způsoby vystavení ohni, ukotvení stěn, zatěžovací stavy. Standardní test stěny (obr. 8) sleduje požární odolnost standardních sloupků pod zatížením. Plášť konstrukce zajišťuje co nejdelší působení sloupků v celém profilu a zajišťuje co nejdelší působení prvků v celém svém původním profilu jako za normální situace před požárem. Jakmile začne odhořívat dřevěný sloupek stěny (obr. 9), působiště síly se posouvá k chladnějšímu okraji sloupku. Výsledkem je excentricita, která způsobuje deformaci, vzniká ohybový moment. Sloupky se deformují kolmo na podélnou osu stěny, vybočení nosného sloupku brání opláštění. Plášť na exponované straně sloupku po své dehydrataci již neposkytuje sloupkům stěny oporu. Plášť na druhé, chladnější části stěny zůstává a zajišťuje stabilitu taženého okraje sloupku.

Celý nezkrácený článek včetně všech obrázků si můžete přečíst v čísle 6/2005 časopisu KONSTRUKCE.

Autor

• Ing. Hejduk Pavel