Požární odolnost dřevěných střešních nástaveb

• Foto

Dřevo a materiály na bázi dřeva jsou sloučeninami uhlíku, kyslíku, vodíku a dalších prvků organického původu a proto jsou (na rozdíl od většiny ostatních konstrukčních materiálů) hořlavé. Jejich chování během požáru však lze poměrně přesně odhadnout a jejich požární odolnost patří k nejvyšším.

Dřevěné prvky vystavené požáru a teplotě okolo 300 °C vzplanou na povrchu a zpočátku poměrně silně hoří. Postupně se vytvoří zuhelnatělá vrstva, která má přibližně 6× lepší tepelněizolační vlastnosti než rostlé dřevo (obr. 1). Tato vrstva pak chrání zbytkový průřez před účinky intenzivního ohřevu od požáru. Vnější povrch zuhelnatělé vrstvy má teplotu blízkou teplotě požáru, vnitřní povrch zuhelnatělé vrstvy má teplotu okolo 300 °C. Pod zuhelnatělou vrstvou se nachází vrstva teplotně ovlivněného dřeva o tloušťce přibližně 35 mm, jejíž pevnostní a přetvárné vlastnosti jsou tepelně ovlivněny a sníženy.

Část této vrstvy o teplotě nad 200 °C se nazývá vrstva pyrolýzy, protože v ní dochází k intenzivnímu tepelnému rozkladu spojenému s uvolňováním plynů a vyznačujícím se změnou barvy a ztrátou hmotnosti. Vlhkost se intenzivně vypařuje z vrstev s teplotou přesahující 100 °C. Pod vrstvou pyrolýzy se nachází tepelně prakticky neovlivněný zbytkový průřez, který se v čase s postupujícím požárem zmenšuje. Z tohoto hlediska lze rozlišovat dřevěné prvky subtilní (zpravidla se uvažují prvky do tloušťky 80 mm) a prvky masivní.

Pro návrh a posouzení spolehlivosti dřevěné konstrukce vystavené účinkům požáru je podle Eurokódů [1] možno použít alternativně tři metody. Jedná se o metodu redukovaného průřezu, metodu redukovaných vlastností, případně obecnou metodu. Tyto metody jsou seřazeny vzestupně podle náročnosti výpočtu a následně i podle výsledné požární odolnosti konstrukce. Principem všech těchto metod je výpočet hloubky zuhelnatění průřezu a posudek únosnosti zbytkového průřezu v požadovaném čase trvání požárního zatížení.

Hloubka zuhelnatění vychází z návrhové rychlosti zuhelnatění daného materiálu a délky trvání požárního zatížení. Návrhová rychlost zuhelnatění (pohybuje se mezi 0,5 a 1,0 mm/min.) je závislá zejména na hustotě dřeva či materiálů na jeho bázi (zpravidla nepřímo úměrně) a je uvedena tabelárně charakteristickou hodnotou v ČSN EN 1995-1-2. Dřevo je však materiál organického původu s poměrně širokým rozptylem vlastností i hustoty v rámci jedné pevnostní třídy (obr. 2). Doba požární odolnosti (doba trvání požárního zatížení), po kterou musí konstrukce splňovat podmínky únosnosti je stanovena na základě požárního rizika určeného podle [2].

Masivní prvky dřevěných konstrukcí většinou bez problému splní požadavky únosnosti při požadované požární odolnosti a i po skončení požáru si udržují určitou míru únosnosti (obr. 3 a 4). Problém nastává především u prvků subtilních, neboť jejich zbytkový průřez při požadované požární odolnosti je téměř nulový, a proto je potřeba tyto prvky před účinky požáru chránit protipožárními nátěry nebo obklady, které dostatečně prodlouží dobu do poškození těchto prvků požárem.

Protipožární obklady
Jednou z možných variant navýšení doby požadované požární odolnosti prvku jsou protipožární obklady. Ty jsou děleny na tvrdé deskové materiály (sádrokarton, sádrovláknité desky), které jsou charakteristické vyšší hmotností a měkké deskové materiály (především z kamenných a skelných vláken), které se užívají především v zateplovacích systémech a k ochraně potrubí. Měkké i tvrdé desky jsou  testovány podle souboru norem na třídu reakce na oheň (dříve stupeň hořlavosti) a při jejich použití lze dosáhnout všech požadavků požární odolnosti v rozsahu 15 až 180 minut.

Protipožární nátěry
Nejrozšířenějším typem protipožárních nátěrů jsou nátěry intumescentní, neboli zpevňující. Jsou založeny na principu expandace a karbonizace nátěru vystaveného působení vysokých teplot. Vzniká tak vrstva tepelně stabilní uhlíkaté pěny (koksu), který díky své izolační schopnosti vytváří bariéru chránící po určitou dobu podklad proti působení plamene a sálavého tepla. V průběhu tohoto procesu zvětšuje původní nátěr svůj objem až 50×, takže tloušťka vzniklé pěny dosahuje několika centimetrů. Díky této schopnosti je možné nanášet intumescentní nátěrové hmoty v tenkých vrstvách. Účinnost těchto nátěrů je však podstatně nižší než u obkladů. Oddalují účinky požáru na vlastní dřevěnou konstrukci v řádu minut.

Spoje dřevěných konstrukcí za požáru
Jedním z důležitých podmínek dostatečné požární odolnosti dřevěné konstrukce vystavené účinkům požáru je i zajištění dostatečné ochrany spojovacích prostředků (hřebíky, vruty, kolíky, svorníky nebo styčníkové plechy) ve spojích dřevo – dřevo, případně ocel – dřevo. Dle stupně jejich ochrany lze rozlišovat spoje nechráněné a chráněné.

Nechráněné dřevěné spoje
U těchto spojů se předpokládá 15 minutová požární odolnost, jsou-li dodrženy návrhové podmínky pro běžnou teplotu. Navýšení požární odolnosti je možné na maximálně 30 minut zvětšením rozměrů dřevěných prvků i minimálních vzdáleností spojovacích prvků k okrajům a ke koncům o přirážku a_fi, jejíž velikost závisí na požadované době požární odolnosti spoje. Hodnoty a_fi lze určit podle vztahu uvedeného v [1].

Chráněné spoje
Spoje lze považovat za chráněné, jsou-li kovové spojovací prostředky kryty před přímým působením ohně ochrannými zátkami nebo obložením materiály nehořlavými, popř. i materiály na bázi dřeva. Ochranou spojů lze dosáhnout zvýšení požární odolnosti až na 60 minut. Obklady je nutné připevnit k chráněnému prvku nezávisle na chráněných spojovacích prostředcích (obr. 6).

ZÁVĚR
Při užití správné protipožární ochrany zabudovaných dřevěných prvků lze dřevo i materiály na jeho bázi bez obav použít v konstrukcích střešních nástaveb, neboť dostatečně splní normová kritéria na požární odolnost konstrukcí a při požárním zatížení vykazují mnohdy lepší vlastnosti než například ocel, u které dochází k rychlému ohřevu a k narušení její stability a únosnosti již po několika minutách.

Výhodou dřeva a materiálů na jeho bázi je, že je lze velmi dobře, při zachování příjemného vzhledu, kombinovat i s jinými konstrukčními materiály. Příkladem může být střešní nástavba administrativní budovy v Praze (obr. 7 a 8). Je zde užita kombinace rostlého a lepeného dřeva s ocelí. Další nespornou výhodou dřevěných konstrukcí nástaveb je rovněž jejich poměrně nízká hmotnost a z toho plynoucí menší přitížení stávající konstrukce oproti jiným (tradičním) materiálům.

Při řešení byly využity teoretické výsledky dosažené za finančního přispění MŠMT, projekt 1M0579, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS.

LITERATURA:
[1] ČSN EN 1995-1-1, Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, prosinec 2006
[2] ČSN 73 0802, Požární bezpečnost staveb, Nevýrobní objekty, ČNI, Praha, prosinec 2000
• ČSN 73 0833, Požární bezpečnost staveb, Budovy pro bydlení a ubytování, ČNI, Praha, prosinec 1996
• Bradáčová, I.: Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty, ISBN 978-807385-023-4
[3] Lokaj, A., Vavrušová, K., Hurta, J.: Materiálové charakteristiky jehličnatého dřeva, In SBORNÍK vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Ostrava 2007, Česká republika, ISBN 978-80-248-1661-6

Fire Resistance of Wooden Roof Extensions
Producers and suppliers of wooden structures of roof extensions are forced, apart from the requirement for sufficient strength, heat and sound insulation, to solve also the issues related to fire safety of these structures. Using the correct fire protection of built-in wooden elements, wood as well as wood-based materials may be freely used in structures of roof extensions due to the fact that it sufficiently complies with the standard criteria for fire resistance of structures and under fire load, it often shows better features than steel which may be quickly heated resulting into disruption of its stability and bearing capacity only after few minutes.

Autoři

• Ing. Lokaj Antonín CSc.
• Ing. Vavrušová Kristýna