Drevo horí inak dnes ako v minulosti? Iste nie, aj keď niektoré práce [3], ktoré študovali drevo z historických stavieb od pätnásteho storočia po dnes (v sto ročnom intervale), zistili malé rozdiely aj vo vlastnostiach, ktoré vplývali aj na jeho zapálenie a horenie. Všetky tieto rozdiely vo vlastnostiach však boli štatisticky nevýznamné. Mikroskopická analýza nenašla významné zmeny v anatomickej ani v morfologickej štruktúre smrekového dreva. Rovnako chemické analýzy zaznamenali len malé rozdiely v percentuálnom obsahu základných stavebných zložiek dreva, ktoré by mohli tiež vplývať na jeho zapálenie a horenie.
Ak by sme nešli až tak hlboko do histórie, variabilita vlastností prírodného, heterogénneho, anizotropného materiálu zohrávala a aj dnes zohráva dôležitú úlohu. Ak hovoríme o heterogénnom materiáli, jeho nehomogenita sa týka chemického zloženia, fyzikálnych a iných technických vlastností dreva, ktoré môžu mať vplyv na to, že za určitých podmienok sa zapália a horia. Hasiči často prichádzajú k požiaru strešných konštrukcií. Ich likvidácia je náročná vzhľadom na výšku, ako aj charakter strechy, ktorá je väčšinou v tvare trojuholníka, podobného, do akého ukladáme triesky a drevené polienka, keď chceme zapáliť vatru. Majiteľ roky rovnako kúril, nikdy sa nič nestalo. Zrazu stojí pre zhoreným domom. Drevo sa časom môže meniť (pracuje), vzniká priehyb, trhliny od priehybu, trhliny od prudkého sušenia od komína, trhliny od záťaže vetrom alebo snehom, alebo iné zmeny, ktoré už nedokážu odolať teplote, takto poškodené drevo začne tlieť alebo sa rovno vznieti alebo od odletujúcich iskier vzplanie.
Odstrániť tieto nedostatky sa snažíme (a myslím si celkom úspešne) používaním certifikovaných materiálov v stavbách z dreva. Nové metódy výskumu aplikované do praxe priniesli „homogenizáciu“ vlastností drevených stavebných prvkov. Tá zvyšuje úroveň bezpečnosti stavieb z dreva na všetkých úrovniach, čo sa týka statiky, životnosti, ako aj protipožiarnej ochrany. Zlepšenie prináša špecifikácia hodnôt fyzikálnych vlastností dreva, technológia výroby stavebných prvkov, ako aj technológia samotnej montáže stavby z dreva.
Fyzikálne vlastnosti dreva
Každá z fyzikálnych vlastností dreva vplýva na jeho použitie v stavbách. Mnohé z nich vplývajú aj na proces horenia a zapálenia. Spoločné sú hlavne vlhkosť, hustota a geometrický tvar.
Vlhkosť
Kontrola vlhkosti nebola veľkým problémom ani v minulosti a dnes už nie je takmer vôbec. Aj v minulosti sa kontrolovala vlhkosť pri tesárskych spojoch, ale hlavne z toho dôvodu, aby drevo nebolo napadnuté drevokaznými hubami. V súčasnosti pri kvalitných sušiarňach vlhkosť nie je problémom. Je to aj preto, že drevo sa podrobuje ďalšiemu technologickému spracovaniu, kde vlhkosť mimo limitu môže spôsobovať ďalšie technologické problémy.
Hustota
Hustota spôsobovala väčší problém. Aplikácia napr. okresaných hranolov do stavby nepoznala limit hustoty, ale ani napr. vplyv reakčného dreva a iných rastových chýb na pevnostné, ale aj protipožiarne vlastnosti. Hustota má priamy vplyv aj na zapálenie a horenie [6]. Bol vykonaný výskum, kde smrekové drevo bolo rozdelené do troch tried hustoty [6] (N – nízka, priemerná hodnota bola 381,5 kg/m³; S – stredná, priemerná hodnota bola 437,87 kg/m³; V – vysoká, priemerná hodnota bola 495,62 kg/m³). V každej skupine bol limitný rozsah pre vzorky ±10 kg/m³.
Testovali sa vzorky v neupravenom stave (N) a retardačne upravené (R) rovnakým retardérom a rovnakým postupom retardácie. Vzorky boli samozrejme dlhodobo klimatizované, aby sa vylúčil vplyv vlhkosti a mohol sa v plnej miere prejaviť vplyv hustoty. Pri neupravených – neretardovaných vzorkách sme očakávali vplyv hustoty. Predpokladali sme, že sa vplyv hustoty neprejaví pri retardačnej úprave. Z obr. 1 a 2 je možné vidieť, že aj pri retardačnej úprave sa rozdiel v hustotách pri pokuse prejavil. Aj keď vplyv hustoty bol miernejší ako pri neretardovaných vzorkách, predsa na hodnotiacich kritériách bol rozdiel zaznamenaný. Hodnotiacimi kritériami boli úbytok na hmotnosti (pozri obr. 1) a rýchlosť odhorievania (pozri obr. 2). V obr. 1 a 2 sú použité rovnaké symboly ako v tomto texte.
Pevnostné triedenie (vylúči sa do určitej miery aj vplyv hustoty) odstráni rastové chyby a kvalitné spájanie a lepenie do požadovaných profilov má mnohé výhody pre stavby z dreva rôznych konštrukčných systémov (stĺpikové, panelov a iné) [2]. Okrem vyššieho komfortu v technológii budovania stavieb zaručuje vo vyššej miere statické požiadavky a prináša zvýšenú protipožiarnu bezpečnosť.
Chvíľu panovali diskusie, či sa nestane lepidlová vrstva lepším vodičom tepla oproti samotnému rastlému drevu. Vieme, že lepený spoj vykazuje vyššiu pevnosť ako drevo. Pri skúškach lepeného spoja sa spoj oddelí v dreve, nie v lepenom spoji, lepidlovej vrstve. Nebolo však celkom jasné, ako sa tento spoj bude správať pri vysokých teplotách. To študoval vo svojej práci Kalinka [4]. Meraním mechanických – pevnostných vlastností spojov, ktoré boli zaťažené vysokými teplotami od sálavého ako aj plamenného zdroja, sa dokázalo, že pevnosť spoja oproti kontrolnému spoju sa nezmenila. Potvrdil to aj ich mikroskopickým vyšetrovaním (pozri obr. 3), kde je zobrazený lepený spoj v oblasti neporušenej štruktúry dreva, 15 mm pod zuhoľnatenou vrstvou. Dokázal, že lepený spoj je stabilný i pri tepelnom namáhaní. To znamená, že nastúpená cesta náhrady rastlého dreva drevenými lepenými prvkami je schodná aj v protipožiarnej ochrane.
Aplikáciou výsledkov dlhoročného výskumu (takmer tri desaťročia prierezom celou Európou), štatistickým spracovaním týchto výsledkov, vznikli normy a technické predpisy, ktoré priamo dovoľujú aplikáciu takto upravených drevených prvkov. Eurokód 5, časť dva, rieši problematiku protipožiarnej ochrany. Umožňuje počítať požiarnu odolnosť takýchto drevených stavebných prvkov konštrukcií stavieb z dreva. Pri nosných prvkoch je to kritérium R nosnosť. Nosnosť R je schopnosť prvku konštrukcie odolávať určitý čas požiaru pôsobiacemu na jednu alebo viacero strán pri určenom mechanickom namáhaní bez straty jeho konštrukčnej pevnosti. Kritériá na hodnotenie hroziaceho zrútenia sa menia v závislosti od druhu nosného prvku. Pri prvkoch zaťažených ohybom, napríklad pri stropoch a strechách, je to rýchlosť deformácie (rýchlosť priehybu) a medzný stav pre skutočnú deformáciu (priehyb), alebo pri osovo zaťažených prvkoch, napríklad pri stĺpoch a stenách, je to rýchlosť deformácie (rýchlosť kontrakcie) a medzný stav pre skutočnú deformáciu (kontrakciu).
Geometrický tvar
Kvalitné vytriedené rezivo (podľa pevnostných vlastností a aj hustoty) môžeme aplikovať spoľahlivo v stavbách z dreva. Vieme, aký má vplyv hustota na jeho zapálenie a horenie, a tým aj priamo na požiarnu odolnosť, pri nosných prvkoch je to jej kritérium R.
Ak „pozrieme do tabuliek“, nosníky z lepeného lamelového dreva ihličnatých drevín vystavené požiaru z troch strán dosiahnu požiarnu odolnosť R 30 min pri priereze 200×100 mm alebo 140x 120 mm. Pri štvorstrannom zaťažení požiarom je to prierez 220×120 mm alebo 180×140 mm. Pri stĺpoch z lepeného lamelového dreva dĺžky 3,0 m (dĺžka je pri stĺpoch dôležitá) vystavených požiaru zo štyroch strán sa dosiahne požiarna odolnosť R 30 min pri priereze 220×180 mm alebo 200×200 mm. Statici, možno aj architekti a projektanti, vidia radi „štíhle“ konštrukcie, pri počítaní požiarnej odolnosti podľa Eurokódu 5, časť dva, špecialisti požiarnej ochrany uprednostňujú „širšie“ prvky konštrukcií (štvorcového, nie obdĺžnikového prierezu). Ale ako je vidieť s údajov, ktoré sme uviedli, dá sa vyhovieť mnohým, no nie všetkým. Nedá sa vyhovieť tým, ktorí veľmi šetria.
Trochu odbočím, stĺpik v panelovej konštrukcii 60×40 možno aj staticky vyhovie, ale jeho požiarna odolnosť, kritérium R, je nula. A celkovú požiarnu odolnosť v takomto prípade nezlepší ani oplášťovanie s vysokou hodnotou požiarnej odolnosti, nakoľko platí podmienka, že oplášťovanie sa môže aplikovať na konštrukciu s požadovanou požiarnou odolnosťou, ktorá spĺňa kritérium R. To sa samozrejme týka aj nosných prvkom, ktorým sa v tomto článku venujeme.
Aj pri rozmeroch nosných prvkov bude dochádzať k určitej disproporcii. Bude vychádzať staticky postačujúci prierez menšej hodnoty, ako ho predpíše špecialista požiarnej ochrany, potrebný pre hodnotu požiarnej odolnosti kritérium R. Architekti mnoho razy aj s estetického hľadiska predpíšu viac štíhlych prvkov, ktoré splnia statickú požiadavku, avšak nesplnia potreby rozmeru pre požiarnu odolnosť (pozri obr. 4). Tu vychádzame zo základného princípu pomeru objemu a povrchu. Čím zmenšíme objem a zväčšime povrch, tým sa drevo rýchlejšie zapáli a ľahšie horí. To je princíp zapaľovania dreva v krbe, šporáku alebo vatry v prírode. Najskôr narobíme triesky, zmenšíme objem a zväčšíme povrch.
Na hodnotu požiarnej odolnosti má geometrický tvar, konkrétne rozmery prierezu, veľký vplyv. Výpočty Eurokódu 5, časť dva, z tohto vychádzajú. Vychádzajú zo zuhoľnatenej vrstvy, ktorá pri horení dreva vzniká. Zuhoľnatená vrstva má takzvaný autoretardačný charakter. Drevo pri kontakte s teplom, alebo priamo s plameňom, začína uhoľnatieť. Hrúbka zuhoľnatenej vrstvy priamo závisí od intenzity tepelného toku a od času jeho pôsobenia. Zuhoľnatená vrstva postupne hrubne a izoluje ďalšie vrstvy dreva od pôsobenia tepla a plameňa (pozri obr. 5 a 6). Zuhoľnatená vrstva neposkytuje plameňu alebo teplu ďalší „materiál“ pre horenie. Zuhoľnatená vrstva nehorí, (niekde možno lokálne tlie) a jej porézny charakter zabraňuje aj vedeniu tepla zuhoľnatenou vrstvou k neporušenému materiálu. Správa sa ako tepelnoizolačný materiál. Štúdiom základnej pyrolýzy a pyrolýznej zóny (pozri obr. 5) sa dokázalo, že 15 mm od hranice zuhoľnatenej vrstvy ostalo drevo „zdravé“, t. j. bez zmeny percenta základných stavebných zložiek (hemicelulózy, celulóza a lignín) a bez zmien v mikroskopickej a anatomickej štruktúre. Na základe uvedeného je možné predpokladať, že si okrem farby zachovalo aj ostatné fyzikálne, mechanické a ostatné technické vlastnosti potrebné pre fungovanie dreva ako spoľahlivého stavebného materiálu. To dokazujú aj farebné zmeny dreva, ktoré boli odobrané v milimetrových vrstvách od zuhoľnatenej zóny po zdravé drevo (obr. 7) [5]. Ak je drevený prvok „homogénny“ bez chýb, bez pásiem s nízkou hustotou, aj zuhoľnatená vrstva je homogénna a izoluje vnútorné časti dreva od ďalšieho horenia. Preto pevnostne triedené lepené prvky drevenej konštrukcie sú akceptovateľnejšie ako drevené prvky z rastlého dreva, pri ktorých môže dochádzať k lokálnemu narušeniu alebo deformovaniu zuhoľnatenej vrstvy. Tým sa mení aj jej účinnosť a izolačná schopnosť [7].
Geometrický tvar úzko súvisí so vznikom zuhoľnatenej vrstvy a jej funkciou. Preto prierez dreveného prvku konštrukcie je veľmi dôležitý a špecialisti požiarnej ochrany, ako som už spomenul, uprednostňujú prierezy blízko štvorcového prierezu, hlavne pri konštrukčných prvkoch, ktoré sú vystavené požiaru so štyroch strán. Podstatné je, aby drevo odhorievalo zo všetkých strán rovnomerne, hrúbka zuhoľnatenej vrstvy bola zo všetkých strán rovnomerná, rovnako účinná. Zachová sa neporušená časť dreva v priereze, ktorý je staticky postačujúci, a zachová stabilitu konštrukcie (jeho prvku) na čas, na ktorý je navrhovaná hodnota požiarnej odolnosti prvku konštrukcie. V prípade obdĺžnikového prierezu, hlavne pri vysokých a úzkych nosníkoch, sa hodnota času požiarnej odolnosti značne skráti. Priestor na vznik zuhoľnatenej vrstvy, spôsob jej vzniku je síce rovnaký ako pri štvorcových prierezoch, avšak ostane menší neporušený prierez, čím sa skráti čas požiarnej odolnosti, aj v praxi, aj pri výpočtoch podľa Eurokódu 5, časť dva. Pritom musíme mať na zreteli, že požiar je riadený nie len palivom, ale aj vetraním, prúdením vzduchu, ktoré je tvorené samotným požiarom. Preto šetrenie dreva na prierezoch aplikovaných prvkov v stavbe je veľmi nebezpečné.
Nosné drevené prvky sa nachádzajú aj zrubových stavbách. Ak aplikujeme všetko uvedené na tieto konštrukčné prvky s požiarnou odolnosťou, kritérium R, nemáme žiaden problém. Navyše, zuhoľnatený vrstva je veľmi kvalitná. Dá sa to prirovnať ku kvalite štiepaného a rezaného šindľa.
Pri zrubovom prvku nie sú vlákna dreva prerezané, drevo je kompaktné, čo má vplyv aj na tvorbu, kvalitu a následné odlupovanie zuhoľnatenej vrstvy. Problém z hľadiska protipožiarnej ochrany pri zrubových budovách je v tom, že musia spĺňať aj ostatné kritériá požiarnej odolnosti – E, I, W.
Kritérium E, celistvosť, je schopnosť prvku konštrukcie odolávať požiaru pôsobiacemu len z jednej strany bez jeho prenosu na nenamáhanú stranu v dôsledku prieniku plameňov alebo horúcich plynov. Tie môžu spôsobiť vznietenie buď nenamáhaného povrchu, alebo akéhokoľvek materiálu nachádzajúceho sa v jeho blízkosti.
Kritérium I, tepelná izolácia, je schopnosť prvku konštrukcie odolávať požiaru pôsobiacemu len z jednej strany bez prenosu požiaru ako dôsledku významného prestupu tepla z namáhanej strany na nenamáhanú. Prestup tepla musí byť obmedzený tak, aby sa ani nenamáhaná strana, ani nijaký materiál v jej tesnej blízkosti nevznietili. Prvok musí poskytovať aj zábranu proti šíreniu tepla dostatočnú na ochranu ľudí v jeho blízkosti.
Kritérium W, radiácia, je schopnosť prvku konštrukcie odolávať požiaru pôsobiacemu len z jednej strany a znížiť pravdepodobnosť prenosu požiaru ako dôsledku vyžiareného tepla významnej hodnoty buď cez prvok, alebo z jeho nenamáhanej strany na materiály ležiace v jej blízkosti.
Pri zrubových stavbách sa javí ako najproblematickejšie kritérium EI/EW. Jedná sa o vodorovný spoj prvkov konštrukcie. Jeho bezpečné riešenie znázorňuje obr. 8. [1]. Prvky zrubu ak nie sú na „tupo“, ale aplikuje sa konštrukčné riešenie, ktoré zamedzí prestupu plameňa a tepla cez spoj, vytvorí drevenú zrubovú stenu, ktorá vykazuje požiarnu odolnosť 180 REI/REW. 180 znamená 180 min požiarnej odolnosti pre všetky kritériá požiarnej odolnosti. Toto tvrdenie je na základe konkrétneho testu vykonaného certifikovanej skúšobni.
Záver
Budovy z dreva sa z hľadiska protipožiarnej ochrany nelíšia od ostatných budov. Požiar môže vzniknúť v každej z nich, ak sa zanedbajú protipožiarne predpisy, ak je nezodpovedné správanie ľudí alebo úmysel požiar založiť. Predpoklad, že samotný horľavý materiál ako konštrukčný materiál je už príčinou požiaru, je nesprávny. Samotná možnosť horenia drevenej konštrukcie pri požiari je zahrnutá v protipožiarnych predpisoch a je nutné dodržiavať obmedzenia, ktoré tieto predpisy ukladajú. Ak tieto predpisy dodržíme a aplikujeme nové technické riešenia, poistíme sa technológiami protipožiarnej ochrany (hlásiče požiaru a iné), vieme zaručiť vysokú protipožiarnu bezpečnosť aj v budovách z dreva.
ANTON OSVALD
foto archív autora
Literatúra:
1) HOUDEK, D. Building with wood for fire safety. Zvolen: Technická univerzita, 1996, 97 s.
2) JOCHIM, S., ŠTEFKO, J. a J. VESELOVSKÝ. Stavebnostolárske výrobky. Zvolen: ES TU, 2009.
3) KAČÍK, F., VEĽKOVÁ, V., ŠMÍRA, P., NASSWETTROVÁ, A., KAČÍKOVÁ, D. a L. REINPRECHT. Release of terpenes from fir wood during its long-term use and in thermal treatment. In Molecules. 2012. zv. Vol. 17, s. 9990–9999.
4) KALINKA, J. Vplyv vysokých teplôt na stabilitu lepených spojov drevených prvkov. TU Zvolen 1997 – dizertačná práca (nepublikované).
5) MARKOVÁ, I. Fyzikálno-chemické základy horenia a hasenia I. Návody na cvičenia. TU Zvolen, 2001.
6) OSVALD, A., MAKOVICKÁ OSVALDOVÁ, L., KAĽAVSKÁ, Ľ. a P. MITRENGA. Modifikovaie aparatúry na hodnotenie retardačnej úpravy dreva. In: METES 2016 (Motivation – Education – Trust – Environment – Safety), 2016, Žilina: Slovenská spoločnosť pre životné prostredie v spolupráci so STRIX n. f. Žilina Edícia/Edition ESE – ekológia-sociológia-ekonómia, No. 27, 2016, s. 93–99. ISBN 978-80-89753-13-0, EAN 9788089753130.
7) OSVALD, A. Drevostavba ≠ požiar. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2011, 336 s. ISBN 978-80-228-2220-6.
Prof. Ing. Anton Osvald, CSc., (*1952)
je absolventem Dřevařské fakulty VŠLD ve Zvolenu (1975). Do roku 2010 byla jeho pracovištěm katedra protipožární ochrany Dřevářské fakulty Technické univerzity ve Zvolenu, od roku 2010 do roku 2017 pak Žilinská univerzita, Fakulta bezpečnostního inženýrství, katedra požárního inženýrství. Je autorem a spoluautorem mnoha vědeckých prací a několika vysokoškolských učebnic.
