Tento článek je zaměřen na problematiku chování dřevostaveb při skutečném požáru. Za tímto účelem byly provedeny dvě požární zkoušky. První se konala při příležitosti dřevařské konference v Dubňanech u Hodonína a druhá při příležitosti mezinárodní konference Profesní komory požární ochrany v areálu požární zkušebny PAVUS, a. s., ve Veselí nad Lužnicí. Cílem těchto zkoušek bylo prokázat skutečné chování dřevostaveb za požáru, a to včetně jejich jednotlivých detailů.
V obou případech se jednalo o velmi podobné požární zkoušky. Zkoušely se jednopodlažní objekty, přičemž v případě první zkoušky v Dubňanech byl objekt rozdělen příčkou na dvě místnosti a požár byl simulován pouze v jedné místnosti. V případě druhé zkoušky byly zkoušeny dva objekty a stěny, kterými byly odděleny, měly simulovat stěnu běžně užívanou u řadových domů. Obě zkoušené dřevostavby byly stejných konstrukčních rozměrů, tj. cca 3×3 m a s jednotnou výškou 3 m. Skladby jednotlivých stěn se lišily včetně užitých výplní otvorů. Půdorysy a řezy zkoušených dřevostaveb jsou na obr. 1 a 2.
U první zkoušky byl požár založen v místnosti se dvěma otvory ve stěnách. Jeden otvor byl osazen dvoukřídlým oknem, druhý jednokřídlovými dveřmi. Dveřmi byla též přístupná druhá, sousedící místnost. Otvory měly dřevěné rámy. Zasklení bylo provedeno izolačním sklem. Skleněná okenní tabule ze strany interiéru byla z bezpečnostního skla.
U druhé zkoušky byl požár založen současně v obou objektech, přičemž v obou objektech se nacházely dva stavební otvory kvůli dostatečnému přísunu vzduchu a jeden otvor s oknem (v objektu A hliníkové požární okno, v objektu B okno PVC).
Veškeré nosné konstrukce byly tvořeny lehkými dřevěnými rámy, tzn. dřevěnými sloupky (mezi nimiž byla minerální izolace), které byly kryté z obou stran různými druhy obalových konstrukcí s použitím deskových materiálů (sádrokartonové, sádrovláknité, dřevovláknité a OSB desky).
Mechanické a požární zatížení
Mechanické zatížení bylo uvažováno hodnotou, která odpovídá běžnému rodinnému domu, kde se uvažuje proměnné (užitné) zatížení 1,5 kN/m2. Při požární (tj. mimořádné) situaci je ověřeno, že proměnné zatížení nedosahuje hodnot jako při běžné teplotě. Při výpočtu zatížení při mimořádné návrhové situaci se proto počítá buď s častou, nebo s kvazistálou hodnotou proměnného zatížení a zatížení se snižuje součinitelem kombinace (0,5 či 0,3). Proměnné zatížení bylo vytvořeno pomocí pytlů se štěrkem, které byly umístěny rovnoměrně na střeše objektu (obr. 3). Stálé zatížení tvořila vlastní nosná konstrukce stropu.
Požární zatížení bylo vytvořeno pomocí dřevěných hranolů o rozměrech 50x50x1000 mm v případě první zkoušky a 50x50x800 mm v případě druhé zkoušky, s průměrnou vlhkostí dřeva 12 % (obr. 4).
Požární zatížení běžného rodinného domu je dáno průměrnou hodnotou qf,k = 780 MJ/m2, která zde proto byla použita. Dřevěné hranice byly podloženy tenkostěnnými ocelovými C-profily, vyplněnými minerální vatou, která byla napuštěna petrolejem pro snadný způsob iniciování požáru.
Měření
Měření průběhu teplot při požárních zkouškách zajistila svým technickým vybavením a personálem akreditovaná Požární zkušebna PAVUS, a. s. Měření bylo provedeno pomocí termoelektrických článků.
Teplotními čidly byly osazeny u první zkoušky čtyři stěny a strop v místnosti s požárem a v případě druhé zkoušky u objektu A dvě stěny a strop a u objektu B čtyři stěny a strop. Každá ze sledovaných konstrukcí měla jinou skladbu vrstev. Průběh teplot byl zaznamenán měřicí ústřednou. Jednotlivé stěny a strop byly osazeny termočlánky již při montáži. Při zkouškách byly použity dva typy termočlánků:
• povrchové (nalepené na konstrukci) – termočlánky s terčem – termočlánkové vedení K, typ GLGL 2×0,5 mm;
• prostorové (měření teploty prostředí) – plášťové termočlánky průměr 2 mm, typ K, izolovaný měřicí spoj.
Dále se teplota detailně měřila i způsobem, který není při běžném pokusu ve zkušebně používán – pomocí termokamery.
Výpočet teploty plynů
Výpočet byl proveden pomocí nominální a parametrické teplotní křivky a pomocí zónového modelu. Normová nominální teplotní křivka je v porovnání se skutečným požárem většinou na straně bezpečné. Tento předpoklad byl však u druhé zkoušky vyvrácen a bylo dokázáno, že při dostatečném přísunu vzduchu, vysoké okolní teplotě vzduchu (cca 35 °C – horké léto) a dalších faktorech, příznivě ovlivňujících hoření, může v některých případech teplota dosáhnout vyšších hodnot, než je teplota podle normové nominální teplotní křivky. Pro přesnější výsledky je vhodné použít parametrickou křivku nebo zónové modely, ty vyžadují přesnější informace o požárním úseku. Zónový model vychází z předpokladu hromadění produktů hoření ve vrstvě pod stropem, s vodorovným rozhraním. Jsou definovány rozdílné vrstvy: horní vrstva, dolní vrstva, oheň a jeho oblak hořících plynů, venkovní plyn a stěny. Porovnání teplot získaných měřením při zkouškách a výpočtem je na grafech na obr. 5 a 6.
Zpřesněné modely požáru jsou založeny na vlastnostech plynů, hmotnostní a energetické výměně. Na obr. 7 je příklad vizualizace požáru pomocí programu Fire Dynamics Simulator (FDS) pro experimentální objekty ve Veselí nad Lužnicí.
Průběh zkoušek
Požární zkouška v Dubňanech
Po zapálení hranic dřeva byl ponechán otevřený pouze jeden větrací otvor (okno). Ke vchodovým dveřím však byla připevněna lať pro možnou regulaci přísunu vzduchu. Po sedmi minutách byl vchod do místnosti s palivem pootevřen pro zvýšení teplot v místnosti. Ve 14. minutě zkoušky byl již požár rozšířen rovnoměrně po všech dřevěných hranicích.
Začalo praskat bezpečnostní sklo v otvorových výplních. Požár se plně rozvinul. Vedlejší místnost se ani při rozvinutém požáru neohřívala, neprojevila se žádná netěsnost. V místnosti mohla být bezpečně sledována dělicí stěna termokamerou. Ve 25. minutě byly patrné praskliny na sádrokartonovém opláštění uvnitř místnosti s palivem. Ve 22. až 26. minutě začaly ze stropního podhledu odpadávat kusy sádrokartonových desek. Tyto kusy pocházely pouze z vrchní vrstvy opláštění. Po 30 minutách bylo započato hašení požáru pěnou. Po dohašení požáru bylo shledáno uvnitř místnosti poškození vrchních vrstev opláštění.
Sádrokartonové desky byly popraskané, místy opadaly části opláštění. Z vnější části objektu byl částečně poškozen fasádní kontaktní systém z EPS. V místech otvorových výplní došlo k poškození opláštění nosné sloupkové konstrukce i z exteriérové strany. Požár byl uhašen ve 30. minutě. Na obr. 8 je patrný stav objektu těsně před uhašením.
Požární zkouška ve Veselí nad Lužnicí
Po zapálení dřevěných hranic došlo k postupnému rozšíření požáru v obou objektech. Pro přísun vzduchu sloužily v objektu A jen dva otvory, protože okno zde bylo protipožární. V objektu B byly stejné otvory jako u objektu A, osazeno zde bylo ale jen klasické okno.
S ohledem na přísun vzduchu došlo k rozvoji požáru velmi rychle po zapálení hranic dřeva, téměř odpadla fáze rozhořívání. K vysypání skla u klasického okna došlo již ve 4. minutě (obr. 9), v 5. minutě teploty dosahovaly cca 850 °C. Požár se šířil velmi rychle.
V 15. minutě začaly praskat a postupně odpadávat první vrstvy SDK desek (obr. 9).
Objekt B byl požárem poškozen mnohem významněji než objekt A, kvůli rozdílnému konstrukčnímu řešení a většímu množství otvorů, kterými byl zajištěn přísun vzduchu. U objektu A sehrálo nesmírně pozitivní roli protipožární okno, které po celou dobu požáru zůstalo neporušené. U objektu B docházelo i k odpadávání fasádního systému s omítkou v posledních 10 minutách požáru. Požár byl uhašen ve 32. minutě.
Závěr
Velmi důležitou roli v protipožární ochraně lehkých dřevěných skeletů hrají obkladové materiály, které významně přispívají k požární odolnosti celé konstrukce. Jedná se o různé sádrokartonové či sádrovláknité desky, případně desky na bázi dřeva. Další věc, kterou nesmíme u dřevostaveb opomenout, je správné řešení detailů. Snímky pořízené pomocí termokamery potvrdily, že pokud nejsou spáry řádně dotěsněny nebo pokud jsou rohože z minerální vlny mezi sloupky poškozeny při dopravě či montáži, dochází zde k významným nárůstům teploty.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
PETR KUKLÍK, MAGDALÉNA DUFKOVÁ,
foto archiv autorů
Literatura:
1) ČSN EN 1991–1-2, Zatížení konstrukcí, část 1–2: Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. ČNI Praha, 2006.
2) prEN 13381-7, Test methods for determining the contribution to the fire resistance of structural members – Part 7: Applied protection to timber members. CEN, 2008.
3) Hejduk, P.: Požární odolnost stěn lehkých dřevěných skeletů. Disertační práce, ČVUT v Praze, 2009.
4) Kuklík, P.: Dřevěné konstrukce. ČVUT, Praha 2005.
5) Přeček, L.: Podpora pro navrhování vícepodlažních dřevostaveb. Disertační práce, ČVUT v Praze, Fakulta architektury, ústav stavitelství I., 2005.
6) Sheridan, L. – Visscher, H. J. – Meijer, F. M.: Building regulations in Europe Part II, A comparison of technical requirements in eight European countries. DUP Science, 2003.
7) Bénichou, N. – Sultan, M. A.: Fire resistance of lightweight wood-framed assemblies: State of the art report. NRC-CRN, IRC-IR-776, 1999.
8) White, R. H.: Analytical methods for determining fire resistance of timber members. Society of fire protection engineers, section 4, charter 13, 2008.9) Buchanan, A. H.: Fire performance of timber construction. Progress in Structural Engineering and Materials, 2000.
10) Young, S. A. – Clancy, B.: Structural modelling of light-timber framed walls in fire. Fire safety journal 36, 2001.
11) Frangi, A. – Fontana, M.: Fire performance of timber structures under natural fire conditions. Fire safety science 8, 2005.
12) ČSN EN 13501–1 Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. ČNI Praha, 2003.
Doc. Ing. Petr Kuklík, CSc., (*1949)
je absolventem Fakulty stavební ČVUT, kde v současnosti působí jako pedagog. Studijně pobýval na univerzitách a vědeckovýzkumných ústavech v Evropě, Austrálii, Japonsku a Kanadě. Zabývá se vědeckovýzkumnou a normotvornou činností v oboru dřevěných konstrukcí, a to jak na národní, tak mezinárodní úrovni. Je autorem a spoluautorem řady vědeckovýzkumných a odborných publikací a norem ISO, EN a ČSN. Je členem komisí mezinárodních organizací působících v oboru dřevěných konstrukcí – CEN, CIB, COST, ISO, IUFRO, RILEM.
Ing. Magdaléna Dufková (*1985)
je absolventkou Fakulty stavební ČVUT, kde v současnosti dále studuje jako prezenční doktorandka na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí. Její vědeckovýzkumná a publikační činnost je zaměřena především na problematiku související s požární odolností vícepodlažních budov na bázi dřeva.
