Požární ochrana ocelových konstrukcí dřevem a materiály na bázi dřeva

Ocelové konstrukce představují ve stavebnictví oblíbené řešení díky výhodnému poměru hmotnosti a únosnosti. Avšak při požáru se jejich mechanické vlastnosti rychle zhoršují. Ocel ztrácí svou původní nosnost již po několika minutách po vzniku požáru, což ohrožuje stabilitu celé stavební konstrukce.

I když je ocel nehořlavý materiál, při teplotách nad 400-600 °C rychle degraduje a vyžaduje účinnou ochranu před tepelným zatížením. Pasivní požární ochrana představuje systém, který nevyžaduje aktivaci a funguje samovolně, bez nutnosti zásahu člověka či technologie. Jejím cílem je vytvořit bariéru, která zpomaluje ohřev konstrukce a prodlužuje čas do dosažení kritické teploty. Méně obvyklým, ale technicky zajímavým řešením je ochrana oceli pomocí dřevěného obkladu.

Historie a principy požární ochrany oceli dřevem

Myšlenka chránit ocel dřevem může na první pohled znít paradoxně, jelikož dřevo patří mezi hořlavé materiály. Přesto se už v 70. letech ukázalo, že tento přístup může mít své opodstatnění. V roce 1974 nizozemští vědci Twilt a Witteveen publikovali studii, která se dnes označuje za průlomovou. Zjistili, že i relativně tenký obklad z měkkého dřeva - tloušťky pouhých 35 mm, dokáže ochránit ocelový nosník natolik, že jeho požární odolnost vzroste až na 60 minut. Přitom samotný nechráněný profil ztratil únosnost prakticky okamžitě.

Tento objev byl překvapivý, protože poprvé ukázal, že dřevo, i když samo podléhá hoření, se díky svým izolačním vlastnostem může chovat jako účinný ochranný materiál. Na tuto myšlenku navázaly v následujících desetiletích desítky experimentů a výpočtů. Klíčový je proces pyrolýzy - vznik zuhelnatělé vrstvy, která funguje jako tepelná izolace, zpomalující další degradaci a ohřev ocelového jádra. Tento jev je dobře patrný i na výsledcích simulací, které ukazují, že dřevěný obklad způsobuje nerovnoměrné rozložení teploty v profilu. Některé části oceli zůstávají déle chladnější, což zpožďuje okamžik dosažení kritické teploty.

Velký posun přinesly moderní numerické modely, které dokázaly simulovat nejen prostý přenos tepla mezi dřevem a ocelí, ale i samotný proces zuhelnatění. Díky tomu bylo možné sledovat, jak se při požáru mění tepelná vodivost dřeva, jak vzniká izolační vrstva a jak tyto faktory společně ovlivňují rychlost zahřívání oceli.

Čtěte také: Vše o požární odolnosti OSB desek

Zájem o využití dřevěných obkladů se v posledních letech posunul také směrem k deskovým materiálům, zejména OSB deskám. Ty se v praxi používají nejen díky své dostupnosti a snadnému opracování, ale i díky dobrým mechanickým vlastnostem. Experimenty ukázaly, že i desky o tloušťce mezi 12 a 25 mm dokážou při správném upevnění oddálit dosažení vysoké teploty oceli o desítky minut.

Souhrnně lze říci, že dřevo už dnes není vnímáno jen jako hořlavý materiál, který je třeba chránit, ale i jako prvek, který může chránit jiné konstrukce. Od prvních pokusů v 70. letech, přes systematické experimenty a simulace v 90. letech, až po dnešní sofistikované modely a praktické testy OSB obkladů, se tento přístup vyvinul v seriózní alternativu k tradičním metodám pasivní požární ochrany.

Požární odolnost a chování oceli

Ocelové konstrukce jsou často využívané z důvodu výhodného poměru jejich hmotnosti a únosnosti. Ocel je nehořlavý materiál, její mechanické vlastnosti však při zvýšené teplotě velmi rychle degradují. Již kolem 500 °C klesá mez pevnosti o přibližně čtvrtinu a při 600 °C dochází k poklesu modulu pružnosti na třetinu původní hodnoty a poklesu meze kluzu na více než polovinu. Proto je nezbytné je chránit vhodným systémem.

Protipožární obklady jsou speciální druhy obkladů, které se používají ke zvýšení požární odolnosti stavebních konstrukcí. Tyto obklady jsou vyvinuty tak, aby zabránily nebo omezily šíření požáru po stavební konstrukci. Protipožární obklady se obvykle používají na konstrukční prvky, jako jsou sloupky, příčky, stropy a nosníky, a jsou k dispozici ve formě různých typů, např. sádrovláknité desky, kalcium silikátové desky a obklady z minerální plsti.

Z požárního hlediska je dřevo jako nosný prvek kvalitním materiálem, který si při požáru zachovává svoji stabilitu po velmi dlouhou dobu. To je dáno samotným procesem hoření. V poslední etapě hoření se totiž na jeho povrchu vytváří zuhelnatělá vrstva, která následně další postup plamene zpomaluje. Pod touto vrstvou po určitou dobu dřevo nehoří a cca 15 mm pod zuhelnatělým povrchem je již dřevo úplně neporušené.

Čtěte také: Kompletní průvodce požární odolností OSB desek

Díky tenké vrstvě, která se skrývá pod vrstvou zuhelnatěného dřeva, zůstávají materiálu vlastnosti stejné jako za běžné teploty. Tudíž si i během požáru zachová na rozdíl od oceli svoji pevnost a tuhost a nadále přenáší zatížení. Ocel v tomto případě ztrácí ony vlastnosti a v důsledku toho dochází ke kolapsu konstrukce.

Požární experimenty s OSB obklady

Druhá část této série představuje komplexní přístup k výzkumu účinnosti OSB obkladů jako pasivní požární ochrany ocelových nosníků. Byla provedena velkorozměrová zkouška v horizontální peci, která ukázala, že OSB obklady významně zpomalují ohřev oceli až do okamžiku selhání obkladu. Jednovrstvé opláštění prodloužilo čas do dosažení kritické teploty přibližně o 17 minut, dvouvrstvé až o 30 minut. Slabinou systému se ukázaly pracovní spáry mezi deskami, kde docházelo k předčasnému selhání.

Popis experimentu

Tato část článku se zaměřuje na popis provedeného velkorozměrového požárního experimentu, jehož cílem bylo ověřit funkčnost deskového obkladu z OSB desek v reálných podmínkách požáru. Součástí zkoušky bylo měření teplot uvnitř ocelového profilu a v jednotlivých vrstvách obkladu s cílem sledovat, jak se teplo šíří konstrukcí v čase. Výsledkem experimentu je časová teplotní odezva celé konstrukce, určení okamžiku selhání obkladu a vizuální dokumentace chování konstrukce v průběhu požáru.

Obklad byl vyroben v laboratořích ČVUT jako boxový systém z OSB desek, upevněný sponami délky 40 mm s roztečí 500 mm. Spoje nebyly lepeny ani vyplněny, čímž se simulovalo běžné provedení. U dvouvrstvého obkladu byly vrstvy vzájemně posunuty tak, aby se zabránilo vzniku souvislé spáry. Pec měla vnitřní rozměry 4,0 × 3,0 m a výšku zvýšenou z 2,35 m na 3,25 m. Nosníky byly uloženy na rám ve výšce 2,25 m a ohřívány ze všech čtyř stran osmi plynovými hořáky o výkonu až 2560 kW. Požární test proběhl dle EN 1363-1 a EN 13381-4, s aplikovaným mechanickým zatížením 981 N ve středu nosníků 20 hodin před zahájením zkoušky.

Počáteční teplota vzorků byla 19,7 ± 1,2 °C, teplota okolí 19,8 °C. Teploty byly zaznamenávány v intervalu 1 minuty. Termočlánky typu K byly umístěny na všech čtyřech stěnách nosníků. Připevnění bylo realizováno metodou „přítlačného hrotu“ do předvrtané jamky, následně přitlačeno obkladem. U nechráněného profilu byly použity termočlánky o průměru 2 mm (rozsah do 1150 °C), u chráněných profilů jemnější s keramickým povlakem (0,5 mm, do 600 °C).

Čtěte také: Dřevěné konstrukce a požár

Numerické modelování

Tato část se věnuje numerickému modelování chování konstrukce s cílem vytvořit a ověřit CFD (Computational Fluid Dynamics) model na základě dat získaných z experimentu. Pro výpočty byl využit softwarový nástroj Fire Dynamics Simulator (FDS), přičemž důraz byl kladen na přesné zadání okrajových podmínek a materiálových charakteristik jednotlivých vrstev chráněné konstrukce. Výstupem této části je srovnání simulovaných a naměřených teplot v čase, analýza přestupu tepla mezi obkladem a ocelí a predikce okamžiku selhání obkladového systému.

Při modelování chování dřevěného obkladu vystaveného požáru je nezbytné nejprve popsat přestup tepla z okolního plynu na povrch materiálu. Tento tepelný tok zahrnuje dvě základní složky: konvektivní přestup tepla a radiační složku. Jakmile je známý tepelný tok na povrchu, následuje modelování vedení tepla uvnitř deskového materiálu. V případě dřevěných obkladů je potřeba zohlednit nejen proměnlivé tepelně-fyzikální vlastnosti (vodivost, měrná tepelná kapacita), ale také tepelnou degradaci materiálu, tedy pyrolýzu. Pro simulaci požární zkoušky byla vytvořena zjednodušená geometrie zkušební pece laboratoře PAVUS, a.s., využívané pro standardizované testy požární odolnosti.

Výsledky předpovědí FDS modelu jsou porovnány s experimentálně naměřenými hodnotami. Model velmi dobře zachytil trend ohřevu u nechráněných nosníků. V případě nosníků chráněných OSB deskami však došlo k postupnému rozcházení výsledků, zejména po odpadnutí obkladu, které model zatím nezohledňoval. Tato část tvoří základ pro další vývoj návrhových nástrojů, které budou zahrnovat mechanickou stabilitu obkladu, analýzu spár a predikci selhání v čase.

Dřevěné obklady a jejich aplikace

Ocelové sloupy a nosníky jsou ochrannými deskami obkládány ve tvaru pravoúhlého průřezu. Desky je potom nutné na čelní straně sesvorkovat nebo sešroubovat. U ocelových průvlaků je potřeba zajistit podložení desek v oblasti spoje tak, aby zde mohl být připevněn obklad pravoúhlého průřezu. Díky tomu nemusí být obklad připevněn na ocel nebo beton. Alternativně lze požární obklad kotvit jen do přilehlé stropní konstrukce. V takovém případě je nutné ke kotvení horních R-UD profilů použít ocelové hmoždinky DN6 v rozteči max. 600 mm a konstrukci R-UD/R-CD uspořádat ve formě bočních „žebříků“ s roztečí stojin R-CD max. 625 mm. Při vícevrstvém opláštění je nutno přesadit spáry mezi deskami v jednotlivých vrstvách min. o 10 mm. Sádrokartonové desky opláštění se šroubují do profilů konstrukce pomocí rychlošroubů Rigips TN patřičné délky. Šrouby se umístí podél hran do R-CD (resp. R-UD) profilů. Finální vrstva opláštění se šroubuje v max. vzájemné rozteči 200 mm.

Z hlediska návrhu se jako výhodnější ukazuje použití vícevrstvých skladeb - například dvou vrstev o tloušťce 15 mm namísto jedné 30mm desky. Tato skladba lépe reaguje na teplotní namáhání, snižuje riziko deformací a vzniku souvislých trhlin, a tím zvyšuje celkovou celistvost systému. Navíc, pokud dojde k lokálnímu selhání nebo odpadnutí jedné vrstvy v důsledku požáru či mechanického poškození, druhá vrstva nadále poskytuje alespoň částečnou ochranu - čímž se zachovává základní funkčnost systému. V některých případech lze dřevěné obklady doplnit o další prvky ochrany, například kombinací s intumescentními (zpěňujícími) nátěry.

Výhody a omezení dřevěných obkladů

Z pohledu dlouhodobé spolehlivosti se jeví nejlepším řešením obklady, které navíc dokážou nabídnout i další přidané hodnoty - akustickou pohodu, mechanickou odolnost nebo atraktivní vzhled. Dřevěné obklady jsou pak ideální volbou tam, kde architekti pracují s přírodními materiály a kladou důraz na estetiku i udržitelnost. Naopak nátěry se hodí tam, kde je důležitá štíhlost konstrukce. Je ale potřeba počítat s tím, že vyžadují velmi pečlivé podmínky nanášení a častější kontrolu v průběhu životnosti. Nástřiky pak najdou své místo především tam, kde je prioritou co nejvyšší požární odolnost a na vzhledu tolik nezáleží - typicky v technických prostorech nebo v průmyslových halách.

Výzkum ale ukazuje i na omezení. Největší výzvou zůstává dlouhodobá spolehlivost obkladu, zejména to, co se stane, když se dřevo při požáru mechanicky poruší, praskne nebo odpadne. V takovém případě se ocel okamžitě začne ohřívat plnou rychlostí, což může vést k rychlému selhání.

Klasifikace materiálů a požární odolnost

Pro správné pochopení funkce a postupu při navrhování vhodných „požárně bezpečnostních zařízení“, jak se podle platné vyhlášky nazývají všechny přípravky a materiály směřující ke snížení hořlavosti nebo zvýšení požární odolnosti stavebních konstrukcí, je nutné nejprve alespoň trochu vyjasnit současný stav v oblasti platných norem a vyjasnit alespoň některé základní pojmy, se kterými tyto normy pracují.

Bez ohledu na základní definici, smysl, účel hodnocení hořlavosti pro obecnou praxi spočívá především v potřebě porovnat nějakým způsobem jednotlivé materiály mezi sebou a stanovit požadavky pro jejich konkrétní použití ve stavbě. Tedy proto, abychom mohli jasně porovnat, zda je jeden materiál za stejných podmínek hořlavější než ten druhý a do jaké míry.

Třídění hmot podle stupňů hořlavosti

Klasifikace jednotlivých stavebních hmot podle výsledků jednotlivých zkoušek se pak provádí podle nové evropské normy ČSN EN 13501-1. Je třeba upozornit, že nové zkušební metody (ČSN EN ISO 1182, ČSN EN ISO 1716, ČSN EN 13823, ČSN EN ISO 11925-2, ČSN EN ISO 9239-1) nejsou shodné s dosud užívanými českými postupy a hodnotí materiály podle jiných principů. Výsledné hodnocení je v této normě vyjadřováno odlišným způsobem, je v ní posuzován i vývin a množství kouře a některé další parametry. Na rozdíl od stávající české normy, která je metodou spíše selektivní, porovnávající podle jednotného kriteria stavební hmoty mezi sebou, je hlavním cílem nově zaváděné normy zhodnotit jednotlivé stavební materiály co nejobjektivněji z hlediska všech parametrů, které mají na jejich chování při požáru vliv.

I když jsou kriteria hořlavosti a požární odolnosti a jejich zkoušení od sebe značně vzdálena, materiály a postupy nutné pro jejich splnění jsou ve většině případů stejné. Jinými slovy - až na několik vyjímek lze přípravkem, určeným pro snížení hořlavosti (Hovoříme stále o dřevu a dřevěných konstrukcích) obvykle zvýšit i požární odolnost konstrukce.

Dřevo a dřevěné konstrukce bez dodatečných úprav lze zatřídit podle dosud platné hodnotové normy ČSN 73 0821 z hlediska hořlavosti do stupně C2 až C3, tedy mezi materiály středně až lehce hořlavé, podle toho, o jaké dřevo se jedná. Snížení jeho hořlavosti lze nejsnáze dosáhnout buď omezením přístupu vzduchu k jeho povrchu, což lze provést např. pokrytím tohoto povrchu nehořlavou, tepelně izolující látkou, případně pomocí hloubkové impregnace dřeva roztokem látky, která znemožňuje či omezuje hoření např.

Nejčastěji používané intumescentní (zpěňovatelné) protipožární nátěry, kterými lze - za vhodných podmínek - dosáhnout zatřídění konstrukcí až do stupně A. Funkce těchto nátěrů je dána rozkladem vhodně formulované chemické směsi. Nátěr musí mít samozřejmě určitou vydatnost, obvykle 300 až 700 g/m² a musí být dobře zakotven do povrchu dřeva.

Požární odolnost

Požární odolnost je definována jako „schopnost objektu (konstrukce) zachovat po stanovenou dobu požadovanou stabilitu a/nebo celistvost a/nebo tepelnou izolaci a/nebo další očekávanou funkci, specifikovanou v normové zkoušce požární odolnosti“. Zkoušky požární odolnosti se provádějí vesměs na vzorcích konstrukcí ve skutečné velikosti, resp. pomocí velkorozměrových zkoušek v pecích a to podle jednotlivých dílčích zkušebních norem.

U tyčových nosných prvků se jedná o parametr R, tedy únosnost a stabilita. Mezní stav únosnosti a stability R(t) nastává v okamžiku, kdy se konstrukce zřítí nebo není schopna nadále nést požadované zatížení. Jako mezní stav se u staticky zatížených tyčových prvků posuzuje ztráta stability (R), kdy se za kritickou teplotu považuje cca 300°C na nechráněném povrchu konstrukce, jako další kriterium je pak uvažován vztah mezi hloubkou uhelnatění a časem, přičemž je důležité, zda se hodnotí jednorozměrné vedení tepla (strop, resp. jednostranně namáhané plošné prvky) nebo dvourozměrné vedení tepla (nosník, sloup).

Již v r. 1971 odvodil Reichel základní rychlosti odhořívání dřeva z povrchu dřevěných konstrukcí jako 0,5 až 0,9 mm/min a lze konstatovat, že je možno se tímto výpočtem řídit dodnes, protože podobné hodnoty udává i dnes zaváděná ČSN P ENV 1995-1-2. To je důležité právě pro navrhování dodatečných způsobů protipožární ochrany těchto konstrukcí.

Označení A, B a C znamená nehořlavé až středně hořlavé. D, E, F značí potom materiály středně až lehce hořlavé. Dále na základě klasifikace jednotlivé dřevěné konstrukční části obvykle řadíme do skupiny DP1, DP2 a DP3. Označení DP1 jsou konstrukce tvořené nehořlavými materiály. Konstrukce typu DP2 nezvyšují v požadované době požární odolnosti intenzitu požáru. Požární odolnost konstrukcí tohoto typu dosahuje maximálně 45 minut.

Budoucnost a výzkum

Pokud se budeme soustředit na udržitelnost ve stavebnictví, dřevo se jeví s ocelí jako vhodná volba. Lze sledovat postupný nárůst počtu dřevostaveb v Česku. Z hlediska požární bezpečnosti rozhodují detaily, které v případě požáru mohou velmi zhoršit chování celé stavby. Můžeme začít diskusi, zda neuvolnit omezení o jedno nadzemní podlaží, při využití nejnovějších poznatků vědy a výzkumu. A zda nepodmínit takový návrh nutností aplikace „inženýrského přístupu“.

Dřevo má jedinečnou požární odolnost. Výsledky moderních požárních testů dokazují, že dřevo může konkurovat i betonu a oceli. Díky intenzivnímu výzkumu dnes můžeme ze dřeva navrhovat domy až do výšky 30 metrů (cca 8 pater) běžným způsobem. U stavebních konstrukcí není klíčové, zda materiál hoří. Dřevo zde exceluje - a to díky svému přirozenému zuhelnatění. Uhlíková vrstva na povrchu zuhelnatělého dřeva funguje jako tepelná izolace a zpomaluje další hoření. Dřevěný strop odolá ohni celých 60 minut. Chování dřeva při požáru je předvídatelné a vypočitatelné.

Výhoda naší katedry (katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT) je, že se neskládá jenom z jednoho typu odborníků, specialistů. Nejsme tým složený jenom ze statiků věnujících se statickému návrhu pozemních konstrukcí ze dřeva a oceli za běžné teploty, ale z odborníků na požární odolnost konstrukcí nebo odborníků přes mosty atd. Naši experti pracují v evropských projektových týmech a komisích na návrzích za běžné teploty i požárních návrzích konstrukcí od zatížení po konstrukční materiály, tj. ocel, ocelobeton, dřevo i sklo. Můžeme nabízet expertní a konzultační činnost doplněnou o experimentální činnost. Připravujeme materiálové zkoušky za běžné i zvýšené teploty při požáru. Umíme simulovat a odhalit poškození konstrukcí. V požární odolnosti dřevěných a ocelových konstrukcí umíme posoudit, zda daná konstrukce po požáru může přenášet zatížení bez vlivu na svou funkčnost.

V oblasti požární bezpečnosti dřevěných konstrukcí se s týmem zabývám přirozeným požárem. Zohledňujeme například i chladnoucí fázi požáru a možné následné znovu rozhoření. Tedy jde o možnost co nejlépe popsat chování dřevěné konstrukce při požárech, kdy ještě nehoří celý požární úsek, případně se požár šíří postupně. Moje doktorská práce pod vedením profesora Walda je zaměřena na ochranu ocelové konstrukce proti účinkům požáru obkladem ze dřeva nebo materiálem na bázi dřeva. Při tomto výzkumu narážíme na omezení v rámci českých norem. Obložení ocelové konstrukce dřevem oddaluje její zahřívání, tedy zvýší její požární odolnost. České normy v tomto případě lze vyložit i tak, že se jedná o hořlavý konstrukční systém a řešení zhoršuje požární bezpečnost celé budovy.

Nejvíce mě potěšila spolupráce v projektu Grantové agentury České republiky s kolegy ze Slovinska. Jsou v oblasti na světové špičce. Řeší například modely prostupu vodní páry dřevěným prvkem v případě požáru. Vyvíjejí pravděpodobnostní modely hoření, které mohou dále pochopit a popsat chování dřeva při požáru a být aplikovány v návrhových normách.

Rozdíly dávají dobré základy ke společné mezinárodní spolupráci. Kolegové ze Slovinska, se kterými spolupracuji, se zabývají více pravděpodobnostním přístupem a my numerickými modely. Nelze uvést jeden stát, vždy se jednalo a bude jednat o více zemí. Často ty nejpřevratnější nebo nejdůležitější výzkumné otázky řeší mezinárodní týmy.

tags: #pozarni #obklad #oceli #drevem #informace

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce lištami pro malířská plátna
• Vše o izolačních rolích Isover Unirol Profi 60 mm
• Podrobný průvodce kabely CYKY
• Vše o betonu na podlahy
• Vše o fasádě domu