Stanovení teplotního zatížení stavebních konstrukcí při požáru

• Foto

Každé posouzení požární bezpečnosti staveb vyžaduje vytvoření odborného úsudku. Ten předpovídá nejen možné místo vzniku a rozšíření požáru a kouře, reakci instalovaných požárně bezpečnostních zařízení, ale také charakteristické chování stavebních konstrukcí za požáru. Na tomto základě vzniká, s ohledem na vstupní data a použité analytické metody, požárně bezpečnostní návrh sestavený projektantem, který předkládá možné příčiny vzniku požárního nebezpečí a takových strategií požární bezpečnosti, při kterých se riziko udrží na obecně přijatelné úrovni.

Situace v oboru požární ochrany a stavebnictví směřuje k vývoji standardů, které by upravovaly úroveň bezpečnosti lépe než tradiční normy zaměřené na řešení jednotlivých problémů. Při navrhování stavebních konstrukcí na účinky požáru je možné také použít inženýrských principů požární bezpečnosti, jejichž aplikace se neřídí běžným postupem určení tepelného zatížení (např. teplotní křivkou). V těchto případech je určena příslušná charakteristika požáru, a to tak, aby reprezentovala jeden nebo více požárních scénářů, které se mohou u konkrétní budovy vyskytnout.

Posuzování konstrukcí při požáru
Požadavky na stavební konstrukce, a tedy také na jejich požární odolnost, jsou v obecné rovině stanoveny Směrnicí Rady 89/106/ EHS o sbližování právních a správních předpisů členských států týkajících se stavebních výrobků ve znění Směrnice Rady 93/68/ EHS (dále jen „směrnice Rady“). Požadavky dále rozvádí Interpretační dokument č. 2 ke směrnici Rady, který popisuje základní požadavky a strategii z hlediska požární bezpečnosti, zásady filosofie inženýrského přístupu a formy naplnění podmínek požární bezpečnosti. Obsahem je rovněž posouzení stavebních konstrukcí z hlediska jejich požární odolnosti.

Evropské požadavky byly implementovány do legislativy České republiky. Ve smyslu zákona č. 183/2006 Sb., o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon), ve znění pozdějších předpisů, a vyhlášky č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby, musí stavby mimo jiné splnit požadavky na požární bezpečnost. Požadavky na způsob hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí jsou dále rozvedeny právními a technickými předpisy. Základní principy stanoví vyhláška č. 23/2008 Sb., o technických podmínkách požární ochrany staveb. Podrobnosti dále rozvádí kodex norem požární bezpečnosti staveb a E urokódy. Soubor Eurokódů obsahuje v současné době přibližně šest desítek návrhových dokumentů. Z hlediska požární ochrany je nejvýznamnější Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru.

Hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí je v konečném důsledku obsahem požárně bezpečnostního řešení zpracovaného jako součást dokumentace staveb dle vyhlášky č. 499/2006 Sb., o dokumentaci staveb, v rozsahu stanoveném vyhláškou č. 246/2001 Sb., o stanovení podmínek požární bezpečnosti a výkonu státního požárního dozoru (vyhláška o požární bezpečnosti).

Požadavky a průkaz požární odolnosti stavebních konstrukcí
Požární odolností stavebních konstrukcí je souhrnně vyjádřena schopnost konstrukcí odolávat účinkům požáru. Hodnocení požární odolnosti spočívá v prokázání splnění stanovených požadavků. Obecně jsou pro tepelná zatížení stanoveny následující expozice [1]:

• malý zdroj zapálení (např. zápalka),
• samostatně hořící předměty (např. hořící nábytek, uskladněné materiály v průmyslových provozovnách),
• plně rozvinutý požár (např. skutečné požární zatížení, normová teplotní/časová křivka).

Požární odolnost se standardně stanoví pro normový průběh požáru nebo pravděpodobný (parametrický) průběh požáru. Normovému průběhu požáru odpovídají požární odolnosti určené výpočtovým požárním zatížením nebo ekvivalentní dobou trvání požáru. Pravděpodobný průběh požáru je určen podle konkrétních podmínek posuzované části stavebního nebo technologického objektu, zpravidla s odchylným průběhem teplot v hořícím prostoru od normového průběhu požáru. Pravděpodobný průběh požáru je určen pravděpodobnou dobou trvání požáru a pravděpodobnými teplotami plynů [2] nebo teplotní analýzou parametrického průběhu požáru [3].

Požadavky na požární odolnost konstrukcí ve vztahu k požárnímu riziku požárních úseků se stanoví podle kodexu norem požární bezpečnosti staveb (řada ČSN 73 08xx) nebo podle jiných podkladů (např. podle ČSN EN 1991-1-2).

Požární odolnost konstrukcí [4]:

• je určena klasifikací podle výsledků zkoušek dle příslušných zkušebních norem (viz ČSN EN 13501-2 a ČSN EN 13501-3), přičemž čtyři standardní teplotní křivky jsou znázorněny na obr. 1,
• je stanovena normovou hodnotou (podle ČSN 73 0821 nebo hodnotou podle Eurokódů, případně hodnotou určenou v rozšířené aplikaci), popř. výpočtem v těch případech, kde lze všechny činitele ovlivňující požární odolnost početně formulovat,
• lze stanovit zkouškou a výpočtem v těch případech, kde zkouškou nelze postihnout všechny činitele ovlivňující požární odolnost nebo kde výsledky zkoušek vyžadují pro konkrétní aplikaci další posouzení.

Klasifikace požární odolnosti (jednotlivých mezních stavů) se označuje písmeny a dobou, po kterou posuzované konstrukce splňují charakteristické vlastnosti. Popis nejčastěji užívaných charakteristik vlastností požární odolnosti konstrukcí je znázorněn na obr. 2.

Způsob značení doplňkových vlastností konstrukcí je dále rozveden v ČSN EN 13501-1 a ČSN EN 13501-2.

Za speciální aplikaci je možné považovat možnost instalace ocelových konstrukcí bez protipožárních ochran u objektů o určitých parametrech vybavených samočinným stabilním hasicím zařízením nebo zařízením pro odvod kouře a tepla, případně v požárních úsecích otevřených objektů nebo otevřených technologických zařízení, pokud se analýzou podmínek požáru a výpočtem prokáže, že v požadované době požární odolnosti nepřekročí při požáru teplota prostředí nebo teplota konstrukcí 450 °C. Tato teplota může být prokázána podrobnou analýzou možných podmínek požáru i v požárním úseku bez požárně bezpečnostních zařízení. Ačkoli se nejedná o standardní návrhový postup, z hlediska možného využití výpočetních postupů Eurokódů nabývá na významu.

Profesní kooperace při hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí
Posouzení požární odolnosti stavebních konstrukcí je kooperací mezi stavebními inženýry a požárními specialisty. Profesní kompetenční rozdělení je znázorněno na obr. 3.

Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru dle Eurokódu 1
Eurokód ČSN EN 1991-1-2 popisuje tepelné a mechanické zatížení pro navrhování staveb vystavených účinkům požáru [3].
 

Postup návrhu na účinky požáru zohledňuje:

• volbu příslušného návrhového požárního scénáře,
• stanovení návrhového požáru,
• výpočet teploty v nosných prvcích,
• výpočet mechanického chování konstrukce (mechanické odezvy).

Postupy navrhování jsou znázorněny na obr. 4.

Tepelné zatížení konstrukce je možné stanovit na základě nominálních nebo parametrických teplotních křivek nebo požárních modelů (viz obr. 5). Přirozené modely požáru se člení na jednoduché a zpřesněné, přičemž jednoduché modely lze dále členit na lokální požáry a požáry prostoru požárního úseku.

Jednoduché modely požáru jsou založeny na specifických fyzikálních parametrech s omezenou oblastí použití. Při požárech prostoru požárního úseku se předpokládá rovnoměrné rozdělení teploty jako funkce času, při lokálních požárech je předpokládáno nerovnoměrné rozdělení teploty. Zpřesněné modely požáru předpokládají použití jednozónových a dvouzónových požárních modelů a modelů typu pole, které jsou založeny na dynamických modelech kapalin a plynů (viz obr. 6).

Lokální požár
Lokální požár reprezentuje situaci, kdy je celkové vznícení látek nepravděpodobné a je předpokládáno nerovnoměrné rozdělení teploty v prostoru.

Princip řešení lokálního požáru
Z hlediska rozvoje a šíření plamene jsou rozlišovány dvě základní situace (viz obr. 7):

• plameny nezasahující strop; (L_f < H, délka plamenů je menší než je výška stropu nad zdrojem požáru),
• plameny zasahující strop; (L_f ≥ H, délka plamenů je rovna či větší než je výška stropu nad zdrojem požáru). V tomto případě je třeba stanovit vodorovnou délku plamene L_h, která vytyčuje prostor radiálního rozšíření plamenů pod stropem.

Praktická aplikace výpočetních postupů lokálního požáru dle Eurokódu 1
Vstupními údaji pro posouzení účinku lokálního požáru na stavební konstrukce jsou délka plamene L_f, virtuální počátek osy z₀, konvekční část rychlosti uvolňování tepla Q_c a další².  Metodikou výpočtu podle Eurokódu 1 je dále stanoven teplotní nárůst osy Fire Plume³ a tepelný tok dopadající na povrch konstrukce (pro případy, kdy plameny nezasahují strop) nebo přímo tepelný tok dopadající na povrch konstrukce (pro případy, kdy plameny zasahují strop). Principiálně je možné postup řešení popsat následujícími závislostmi.

Za předpokladu L_f < H:

θ_(z) = f(Q_c, z, z₀)
h_net = h_net,c + h_net,r
h_net,c = α_c (θ_g - θ_m)
h_net,r = φ . ε_m . ε_f . σ . [(θ_r + 273)⁴ - (θ_m + 273)⁴]

Za předpokladu L_f ≥ H:

h = f(H, r, L_h, z')
h_net = h - tepelné ztráty konstrukce

kde

L_f - délka plamene (popř. střední výška plamene) (m)
H - vzdálenost mezi zdrojem požáru a stropem (m)
θ_(z) - teplota v oblaku hořících plynů podél symetrické svislé osy (°C)
Q_c - konvekční část rychlosti uvolňování tepla Q (W)
z - výška podél osy plamene (m)
z₀ - virtuální počátek osy (m)
h_net - čistý tepelný tok na jednotku plochy povrchu (W.m^–2)
h_net,c - čistý tepelný tok na jednotku plochy povrchu vlivem proudění (W.m^–2)
h_net,r - čistý tepelný tok na jednotku plochy povrchu vlivem sálání (W.m^–2)
α_c - součinitel přestupu tepla prouděním (W.m^–2.K^–1)
θ_g - teplota plynů v blízkosti prvku vystaveného účinkům požáru (°C)
θ_m - povrchová teplota prvku (°C)
φ - polohový faktor (–)
ε_m - povrchová emisivita prvku (–)
ε_f - emisivita požáru (–)
σ - Stephan-Boltzmannova konstanta (W.m^–2.K^–4)
θ_r - účinná teplota sálání prostředí požáru (°C)
r - vodorovná vzdálenost mezi svislou osou ohně a bodem u stropu, pro který se počítá tepelný tok (m)
L_h - vodorovná délka plamene (m)
z' - svislá poloha virtuálního zdroje tepla (m)
h - tepelný tok dopadající na jednotku povrchové plochy v úrovni stropu vystavené účinkům požáru (W.m^–2)

Výpočetní postup lokálního požáru rozvedený v E urokódu 1 je jednou z obvyklých, avšak současně také nejjednodušších metod pro stanovení osové teploty Fire Plume a tepelného toku dopadajícího na stavební konstrukci. Nenáročnost řešení je také důvodem významného omezení použití popisované metody. Jedná se především o omezení výpočtu vzhledem k výškové poloze v prostoru (přesněji poloze ve Fire Plume) a vlivu kumulujícího se kouře. Prezentované vztahy jsou využitelné pro stanovení osové teploty Fire Plume v jeho konečné části, tedy zóně kouře⁴. Aplikace výpočtových metod v jiných částech Fire Plume vede k nereálně optimistickým výsledkům [5], [6].

Výpočetní metoda je, mimo jiné, založena na předpokladu, že do rozvíjejícího se sloupce kouřových plynů dochází k přisávání okolního vzduchu o teplotě odpovídající standardního podmínkám okolí (zpravidla 20 °C). V reálných situacích však při požárech v uzavřených prostorách dochází ve většině případů ke vzniku vrstvy kouře pod stropní nebo podhledovou konstrukcí, která se postupně snižuje. Při prostupu Fire Plume horkou vrstvou plynů dochází k ovlivnění jeho osové teploty z důvodu změny okolních podmínek. Ve tvarujícím se Fire Plume dochází k přisávání plynů, které mají vyšší teplotu, než je teplota okolí a tím je pokles teploty s narůstající vzdáleností nad povrchem hořlavých materiálů pozvolnější. Výsledné hodnoty teploty osy Fire Plume bez nebo se zohledněním horké vrstvy plynů se mohou zásadně lišit a výsledky získané postupem podle Eurokódu 1 mohou být v případě existence horké vrstvy plynů zavádějící (významně poddimenzované) [7].

Postup při stanovení osové teploty Fire Plume (možná aplikace lokálního požáru podle Eurokódu 1) je znázorněn na obr. 8.

Teorie lokálního požáru je využitelná při posouzení teplot prostředí v době požadované požární odolnosti konstrukce, při které není nutné v určitých případech při instalaci samočinného stabilního hasicího zařízení nebo zařízení pro odvod kouře a tepla, případně bez instalace těchto zařízení, zřizovat protipožární ochrany ocelových konstrukcí⁵. I zde je však ve většině případů nezbytné zohlednit vliv vrstvy horkých plynů, které se kumulují pod stropní konstrukcí.

Metodiku lokálního požáru podle Eurokódu 1 je možné bez dalších souvisejících výpočtových metod aplikovat v praxi pro návrh stavebních konstrukcí za podmínek požáru spíše ojediněle. Jedná si o případy stavebních objektů o velkých geometrických rozměrech, kde je pokles vrstvy kouře značně pozvolný a krátké aplikační doby výpočtové metodiky (nízké požadavky na požární odolnost stavebních konstrukcí).

Parametrická teplotní křivka
Celkové vzplanutí, neboli flashover, lze definovat jako přechod od lokálního požáru k hoření všech nechráněných hořlavých povrchů v místnosti. Flashover se posuzuje spíše jako přechod mezi dvěma stavy než jako přesně vymezená událost. Počátečními podmínkami pro výskyt flashoveru jsou dostatek paliva a dostatečné odvětrání, aby se požár mohl rozvinout do potřebné velikosti.

Požár v uzavřeném prostoru po celkovém vzplanutí (ve fázi plně rozvinutého požáru) nejčastěji popisují teplotní křivky s charakteristickým rychlým nárůstem teploty – tradiční grafická vyjádření intenzity požáru (viz obr. 1). Grafické znázornění fáze dohořívání (chladnutí) teplotní křivkou je složitější.

Teplotní křivky požáru řízeného odvětráním pro různé součinitele odvětrání, různé hustoty požárního zatížení a odlišné fyzikální vlastnosti konstrukcí ohraničujících požární úsek se obecně nazývají parametrické teplotní křivky. Rovnice pro určení parametrických teplotních křivek vznikly na základě rovnice tepelné rovnováhy. Při jejich popisu se pracuje s požárním zatížením, parametrem odvětrání a vlivem ztráty tepla ohraničující konstrukcí. Typická parametrická teplotní křivka je rozdělena na dvě části (obr. 9). První část popisuje exponenciální fázi rozvoje požáru a druhá část lineární fázi ochlazování. Předěl mezi těmito fázemi tvoří maximální dosažená teplota. Údaj o maximální dosažené teplotě je důležitý pro zjištění chování stavební konstrukce při požáru. Na průběh parametrické teplotní křivky má pozitivní vliv požárně bezpečnostní zařízení (např. samočinné stabilní hasicí zařízení), které snižuje nárůst teploty, naopak omezená možnost odvětrání požárního úseku způsobí, že jsou konstrukce dlouhodobě vystaveny účinkům požáru.

Parametrická teplotní křivka dle Eurokódu 1 (přílohy A ČSN EN 1991-1-2) je platná pouze pro požáry s požárním zatížením celulosového typu a pro relativně malé požární úseky (s velikostí do 500 m² podlahové plochy s maximální světlou výškou 4 m). Zejména pro běžné halové objekty, jako jsou prodejní či skladovací haly, je tato teplotní křivka nevhodná. Rovněž ji nelze aplikovat u požárních úseků s vodorovnými otvory v podlahách nebo stropech (popř. střechách).

Modely požáru
Nejrozšířenějšími modely požáru jsou deterministické modely, které předpovídají rozvoj požáru a procesů s ním spojených na základě řešení matematických rovnic popisujících fyzikální a chemické děje při požáru. Fyzikální podmínky, které určují rozvoj a výsledky požáru, jsou u těchto modelů nazývány požárními scénáři. Požární scénáře zahrnují množství a uspořádání hořlavých látek, dispozici a charakter objektu, provedení požárně bezpečnostních systémů, místo vzniku požáru, rozmístění a další proměnné, které mají vliv na výsledné hodnoty popisující požár. Tyto údaje se poněkud liší podle konkrétního účelu modelu, přesto lze provést základní rozdělení vstupních parametrů do několika skupin, týkajících se požárního zatížení, výměny plynů s okolím a popisu prostoru (místnosti), ve kterém k požáru došlo.

Deterministické modely se dělí na dvě samostatné podskupiny a to zónové modely a modely typu pole (postaveny na výpočetní technologii CFD, viz obr. 10).

Nejdůležitější vlastností výpočtových požárních modelů je jejich schopnost předpovídat realisticky průběh návrhového požáru v rozsahu jim zadaných parametrů. Hlavní nevýhodou těchto modelů požáru v technické praxi jsou však relativně vysoké požadavky na zadání vstupních parametrů a doba potřebná pro výpočet zejména u modelů typu pole).

Závěr
Přestože je požár považován za mimořádnou událost, která se ve stavebním objektu vyskytuje zřídka, jeho následky mohou být katastrofální a mohou ohrozit jak životy osob, tak poškodit samotnou stavební konstrukci.

Úvodní část článku se věnovala přehledu předpisů, které „nějakým“ způsobem souvisí s požární bezpečností, s důrazem na objasnění postupů při ověřování požární odolnosti stavebních konstrukcí. Dále je poukázáno na rozmanitou škálu způsobů, jak navrhovat teplotní zatížení stavební konstrukce, a to od zjednodušených konzervativních postupů po podrobné výpočtové modely. Údaj o teplotním zatížení konstrukce je podkladem pro její následnou teplotní a mechanickou analýzu.

Snahou autorů bylo rovněž poukázat na určitá omezení, která při sestavení požárních scénářů mohou nastat.

Příspěvek byl prezentován na konferenci KONSTRUKCE 2010.

Použitá a doporučená literatura :
[1] Interpretační dokument Směrnice Rady 89/106/EHS Pro stavební výrobky, Základní požadavek č. 2 – Požární bezpečnost, Brusel: Komise ES, zveřejněno v řadě C Úředního věstníku ES č. 94/C 62 (94/C 62/01), 1989
[2] ČSN 73 0804 Požární bezpečnost staveb – Výrobní objekty, Praha: ÚNMZ, 2010, 156 s.
[3] ČSN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru, Praha: ÚNMZ, 2004, 56 s.
[4] ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení, Praha: ÚNMZ, 2009, 44 s.
[5] HESKESTAD, G. Fire Plumes, Flame Height, and Air Entrainment, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fourth Edition, Section Two, Chapter 2-1, Quincy: National Fire Protection Association, 2008, s. 1–20, ISBN-10: 0-87765-821-8, ISBN-13: 978-0-87765-821-4
[6] POKORNÝ, Jiří. Základy teplotní analýzy Smoke Plume, In Sborník přednášek XVIII. ročníku mezinárodní konference Požární ochrana 2009 (recenzované periodikum), Ostrava: VŠB-TUO, FBI, SPBI a HZS MSK, 2009, s. 457–467, ISBN 978-80-7385-067-8
[7] POKORNÝ, J. Stanovení osové teploty Smoke Plume se zohledněním horké vrstvy plynů, SPEKTRUM (recenzovaný časopis) ročník 10, číslo 1. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2010, s. 21–24, ISSN: 1211-6920 (print) 1804-1639 (on-line)
[8] KUČERA, P., KAISER, R., PAVLÍK, T., POKORNÝ, J.: Požární inženýrství – Dynamika požáru, EDICE SPBI SPEKTRUM 65, Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2009, 152 s., ISBN 978-80-7385-074-6
[9] KUČERA, P., KAISER, R., PAVLÍK, T., POKORNÝ, J.: Metodický postup při odlišném způsobu splnění technických podmínek požární ochrany, EDICE SPBI SPEKTRUM 56, Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2008, 201 s., ISBN 978-80-7385-044-9
[10] KUČERA, P., KAISER, R. Úvod do požárního inženýrství, Edice SPBI SPEKTRUM, sv. 52, Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2007, s. 170, ISBN 978-80-7385-024-1

Determination of Thermal Load of Structures During a Fire
The issue of designing the building structures for the effects of fire is based on current knowledge and procedures used in technical practice; however it is not limited to standard recommendations, but also looking for other suitable design method. The article presents principles of proving the fire resistance of building structures, including the indication of cooperation of fire expert and civil engineer, and puts forward possible suggestions of thermal load by means of the local fire, parametric thermal curves or fire models.

Vysvětlivky ke článku:
¹ – Požárním specialistou se pro potřeby tohoto článku rozumí osoba, která je autorizována pro oblast požární bezpečnosti staveb, stavebním inženýrem osoba, která je autorizována pro některou z autorizačních oblastí stavebnictví (viz zákon č. 360/1992 Sb., o výkonu povolání autorizovaných architektů a o výkonu povolání autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě, ve znění pozdějších předpisů). Označení je zvoleno z důvodu zjednodušení, přičemž pro pochopení merita věci by mělo být dostatečně srozumitelné.
² – Symboly v této a navazující části textu pro přehlednost kopírují označení v Eurokódu 1.
³ – Rozvoj požáru je doprovázen vznikem a rozvojem sloupce kouřových plynů. Tento jev je obecně označován jako Fire Plume.
⁴ – Fire Plume se člení na zónu plamene, přechodovou zónu a zónu kouře [5].
⁵ – Čl. 4.8 ČSN 73 0810

Legenda k obr. 2:
X(t), Z - charakteristické vlastnosti požární odolnosti
DPY, DP1, DP2, DP3 - druh konstrukční části
R - nosnost konstrukce
E - celistvost konstrukce
I - tepelná izolace konstrukce
W - hustota tepelného toku či radiace z povrchu konstrukce
M - mechanická odolnost
S - kouřotěsnost konstrukce
C - samozavírací zařízení požárních uzávěrů

Legenda:
t_fi,d - návrhová doba požární odolnosti (min)
t_fi,requ - požadovaná doba požární odolnosti (min)

Autoři

• Ing. Kučera Petr Ph.D.
• Ing. Pokorný Jiří Ph.D.