Problematika požární bezpečnosti vícepodlažních dřevostaveb

Tepelně ovlivněná vrstva dřeva, která je pod úrovní jeho zuhelnatění, je obecně velmi tenká (~ 20–40 mm), takže vlastnosti dřeva pod touto vrstvou jsou v podstatě stejné jako pro dřevo za běžné teploty. Tohoto chování dřeva za požáru bylo např. využito při návrhu ochrany kaple sv. Kříže na Karlštejně, která je proti požáru chráněna dřevěným povalovým stropem. V současnosti začínají požární odolnost využívat i oceláři, kteří řeší ochranu oceli proti účinkům požáru dřevěnými obklady.

Úvod

V porovnání s konstrukcemi z tradičních stavebních materiálů byla do současnosti výzkumu a rozšiřování poznatků o chování dřevěných konstrukcí za požáru věnována velmi malá pozornost. Je to dáno tím, že ve srovnání s tradičními stavebními konstrukcemi se velké dřevěné konstrukce tolik nepoužívaly. Z tohoto důvodu jsou pokročilé návrhové koncepty a modely většinou omezeny na standardní expozici čas – teplota podle ISO 834-1. Potřeba dalších studií chování dřevěných konstrukcí za požáru je proto velká, zejména sohledem na celkové chování reálných budov vystavených přirozeným požárům. Existuje celá řada vynikajících mezinárodních publikací o požární bezpečnosti dřevostaveb. Komplexní evropská zpráva (Östman [3]) popisuje práci nadnárodního výboru, který vypracoval dokument Požární bezpečnost dřevostaveb – technický návod pro Evropu. Tento obsáhlý dokument poskytuje podklad a návrhové metody pro navrhování dřevostaveb, které mají podobnou požární bezpečnost jako budovy z jiných materiálů. Zpráva se týká především splnění požadavků podle nového evropského systému pro požární bezpečnost staveb.

Nedávno Nadace pro výzkum požární ochrany (Gerard et al. [1]) vytvořila dokument Výzvy požární bezpečnosti vysokých budov ze dřeva, jenž obsahuje rozsáhlý seznam literatury a případové studie moderních dřevostaveb po celém světě. Dokument také poskytuje komplexní analýzu mezer v poznání a doporučení pro budoucí výzkum a testování, které jsou mimo jiné:
■ požární testování nových a inovativních dřevěných a hybridních konstrukcí;
■ požární testování a modelovaní vysokých dřevěných konstrukcí a dřevostaveb;
■ testování přirozeného požáru na vysokých dřevěných konstrukcích a dřevostavbách;
■ ekonomická analýza pro kvantifikování výstavby, provozu a nákladů na vysoké dřevostavby;
■ důraz na efektivní komunikaci a vzdělávání v oblasti rizik.

Dřevostavby z hlediska požární kategorizace můžeme dělit na dva základní typy:
■  dřevostavby s masivní dřevěnou konstrukcí (těžký skelet či masivní desková konstrukce);
■  dřevostavby s lehkou/rámovou dřevěnou konstrukcí (lehký skelet).

Možné provedení obou typů dřevostaveb je znázorněno na obr. 1.

Masivní dřevěné konstrukce
Masivní dřevěné konstrukce zahrnují všechna použití velkorozměrných dřevěných prvků v budovách. Těžká dřevěná konstrukce je tvořena samostatnými nosnými prvky (trámy, sloupy, deskami nebo vazníky).

Lehké dřevěné konstrukce
Lehké dřevěné konstrukce používají řezivo menších rozměrů (sloupky ve stěnách, nosníky ve stropech a desky na bázi dřeva či sádry a izolace). Požární odolnost masivních dřevěných konstrukcí je dána rychlostí zuhelnatění dřeva použitých velkorozměrných dřevěných prvků, které mají vysokou požární odolnost. Provedené velkorozměrové zkoušky konstrukcí z křížem vrstvené dřeva CLT prokázaly jejich požární odolnost 120 min.

Podstatně komplikovaněji jsou na tom lehké dřevěné konstrukce, u kterých je požární odolnost dána požární odolností použitých plášťů a dále pak požární odolností vnitřního nosného rámu z deskového řeziva či desek na bázi dřeva.

Použití dřeva ve vícepodlažních budovách

V České republice významně roste počet realizací staveb na bázi dřeva. Například jejich podíl na výstavbě rodinných domů již překročil 15 % a jejich meziroční dynamika nárůstu je trojnásobná v porovnání s ostatními stavebními technologiemi. Roste též zájem používat dřevo na vícepodlažní obytné  a  administrativní  budovy.  Na obr. 2 je schematicky znázorněn vývoj vícepodlažních dřevostaveb ve světě v posledních letech.

Jde o budovy Murray Grove v Londýně (osm podlaží v roce 2009), Forté v Melbourne (deset podlaží v roce 2012), Treet v Bergenu (čtrnáct podlaží v roce 2015), Brock Commons ve Vancouveru (osmnáct podlaží  v roce 2017), HoHo ve Vídni (24 podlaží, bude dokončena v tomto roce). Vedle toho  existuje několik vizí extrémně vysokých dřevostaveb, u kterých není zcela transparentní, jak budou ve skutečnosti provedeny. Jednou z těchto vizí je návrh mrakodrapu Oakwood Tower v Londýně (osmdesát podlaží a výška 300 m). Konstrukce je navržena z megapříhradových vazníků, jejichž sloupové prvky ze dřeva by  měly mít rozměry 2,5 m × 2,5 m. Vnitřní stěny by potom měly mít tloušťku 1,75 m, viz obr. 3.

Mezinárodní asociace pro mosty a stavební inženýrství (IABSE) nedávno zveřejnila konstrukčně-inženýrský dokument o stavebním inženýrství (SED) o používání dřeva ve vysokých vícepodlažních budovách (Smith a Frangi, [4]). Dokument se zabývá obnovením zájmu o dřevo a výrobky na bázi dřeva jako primární stavební materiály pro relativně vysoké, vícepodlažní budovy. Celkový důraz se klade na ucelené adresování různých otázek souvisejících s návrhem na základě užitných vlastností dokončených systémů, což odráží skutečnost, že hlavní mezery v know-how se týkají spíše návrhových konceptů než technických informací o dřevu jako materiálu. Zvláštní pozornost je věnována konstrukčnímu systému a otázkám trvanlivosti pro dosažení požadovaných užitných vlastností budovy po dobu její životnosti, která může trvat staletí. Kapitola 3 popisuje koncept požární bezpečnosti pro vysoké budovy na základě scénáře, že obyvatelé nacházející se v horních částech budov nemohou v průběhu požáru odejít a požár nemůže být uhašen a bude pokračovat, dokud neshoří veškerý hořlavý materiál v požárních úsecích zasažených požárem. Na základě tohoto scénáře jsou požární požadavky na stavební prvky formulovány následovně:
■ dělicí prvky musí být navrženy způsobem, který podporuje úplné vyhoření, čímž zabraňuje nekontrolovanému šíření ohně do jiných částí budov po celou dobu trvání požáru;
■ nosné stavební prvky musí být navrženy tak, aby se zabránilo jejich konstrukčnímu kolapsu během úplného vyhoření bez zásahu hasičů.

Pro vysoké vícepodlažní dřevostavby proto kladou autoři důraz na koncept „zapouzdření“ dřevěné konstrukce a/nebo použití hybridních konstrukčních prvků (např. dřevo-betonových kompozitních desek). V této souvislosti stojí za zmínku, že v minulém roce již byla připravena další část Eurokódu 5 zaměřená na navrhování dřevo-betonových kompozitních konstrukcí, která má 57 stran a komplexně řeší jejich problematiku včetně provádění, konstrukčních detailů, trvanlivosti a zkoušení.

Požadavky na vysoké budovy ze dřeva

Současný zájem o vysoké budovy ze dřeva vedl k prvním studiím jejich proveditelnosti. Vancouverský architekt Michael Green [2] vytvořil možné návrhy pro desetipodlažní, dvacetipodlažní a  třicetipodlažní  dřevostavby ve studii Úlohy vysokých budov ze dřeva – Jak masivní dřevo nabízí bezpečnou, ekonomickou a ekologickou alternativu pro vysoké stavební konstrukce.

Klíčovým úkolem řešení požární bezpečnosti je vytvořit takový návrh, aby dřevěná konstrukce mohla být ekvivalentní k nehořlavé konstrukci; to znamená dosáhnout stejné úrovně užitných vlastností, uvedených v přijatelných řešeních stavebních technických norem.Toho lze dosáhnout v závislosti na sprinklerových systémech spolu s předvídatelnou rychlostí zuhelnatění masivního dřeva a zapouzdření, pokud je nezbytné.

Greenova studie však nedoporučuje návrh na úplné vyhasnutí požáru v požárním úseku. Pokrývá možnost poruchy sprinklerů tím, že požaduje dvouhodinovou požární odolnost pro kritické konstrukční prvky. V extrémním případě se očekává, že hasiči budou schopni potlačit požár předtím, než je dosaženo dvouhodinového trvání požáru.

Národní požadavky na požární bezpečnost dřevostaveb

Výška či počet podlaží jsou pro budovy ze dřeva kritické všude ve světě a jsou omezeny příslušnými požárně-bezpečnostními předpisy. V tab. 1 je uveden přehled povoleného počtu podlaží ve vybraných zemích podle národních  technických  norem  požární  bezpečnosti.  V případě realizace vysokých vícepodlažních budov nad rámec povoleného počtu podlaží se potom musí použít požárně-inženýrský přístup (Performance based design – PBD), který však je v jednotlivých zemích různý. Jednotný evropský či mezinárodní dokument zaměřený na požárně-inženýrský přístup PBD zatím neexistuje.

Obecně lze říci, že využitím požárně-inženýrského přístupu PBD můžeme, oproti normovým přístupům, dostat méně nákladné řešení. Ovšem v případě objektu z hořlavých stavebních konstrukcí nespočívá využití požárně-inženýrského přístupu ve snaze dostat méně nákladné řešení, ale především v prokázání možného použití hořlavých stavebních výrobků. Posouzení požárně-inženýrskými metodami musí být ovšem přinejmenším stejně bezpečné jako při použití normových postupů.

Postup požárně-inženýrského přístupu je uveden v příloze I české technické normy ČSN 73 0802 [6]. Podle této přílohy by měl požárně inženýrský přístup obsahovat  čtyři kroky:
a)  kvalitativní analýzu;
b)  kvantitativní analýzu;
c)  posouzení výsledků analýzy podle kritérií přijatelnosti;
d)  zaznamenání a prezentaci výsledků.

Kvalitativní analýza tvoří základ pro kvantitativní analýzu a je tvořena několika body. V první řadě je nutné určit obecné cíle požární bezpečnosti a pro ně příslušná kritéria přijatelnosti, se kterými se porovnávají výsledky získané v kvantitativní analýze a určí se podle nich úspěšnost návrhu. Dále musí být v kvalitativní analýze uvedeny předepsané návrhové parametry, jako jsou například popis objektu a jeho technické vybavení, provoz objektu, vybavení požárně-bezpečnostními zařízeními, charakteristika osob vyskytujících se v objektu a podobně. Dalšími kroky jsou vytvoření zkušebního návrhu požární bezpečnosti a volba návrhového požárního scénáře. Posledním bodem kvalitativní analýzy je výběr vhodné metody analýzy.

Norsko sice nemá omezen počet podlaží dřevostaveb, ale běžně staví maximálně osmipodlažní budovy. Tento maximální počet podlaží je totiž obecně pro vícepodlažní dřevostavby chápán jako akceptovatelný z hlediska více méně standardního požárního zásahu. S využitím požárně inženýrského přístupu však nicméně v současnosti Norové staví výškovou budovu ze dřeva Mjøstårnet, viz obr. 4, jež má být dokončena v tomto roce. Tato budova má osmnáct podlaží a výšku 81 m. Budova má nosnou konstrukci na bázi těžkého skeletu (sloupy, nosníky a diagonály jsou z lepeného lamelového dřeva), viz obr. 4. Jádro pro výtahy a schodiště je z vrstveného dřeva CLT. Důvodem je snaha nekombinovat dřevěnou konstrukci se železobetonovým jádrem s ohledem na rozdílné chování obou materiálů.

Fasáda je z dřevěných prefabrikátů. Prvních deset podlaží má stropní konstrukci z nosníků z lepeného lamelového dřeva a desek z vrstveného dřeva CLT. U zbývajících podlaží jsou použity nosníky z lepeného lamelového dřeva a železobetonové stropní desky. Při návrhu této budovy Norové použili parametrickou křivku teplota – čas a parametrickou rychlost zuhelnatění. Rychlost zuhelnatění lepeného lamelového dřeva též ověřovali požárními zkouškami. Výpočet požární odolnosti dřevěné konstrukce provedli podle EN 1995-1-2. Systém sprinklerů navržený v budově má zdvojené zásobování vodou.

Zajištění bezpečí lidí ve vztahu k výšce budovy

U nízkopodlažní budovy může být bezpečí lidí dosaženo zaručením toho, že všichni obyvatelé mají čas na opuštění budovy. Jakmile všichni opustí budovu, může být přípustné, aby budova do základů shořela – záleží na velikosti a hodnotě budovy a jejím obsahu.

Na opuštění budovy se nemůžeme spoléhat v případě vysokých budov s mnoha lidmi žijícími nebo pracujícími nad požárním stropem. Pro budovy do osmi podlaží existuje možnost protipožárního zásahu a záchrany žebříky, ale obojí je velmi složité, jakmile výška budovy přesáhne tři až čtyři podlaží. Čím je budova vyšší, tím více se zvyšuje možnost výskytu ohně v horních podlažích a uvěznění lidí nad požárním stropem. Vysoké budovy vyžadují dlouhou dobu k jejich opuštění a mají pomalý vnitřní přístup pro hasiče. Je možné, že v budoucnu bude požadováno celkové zapouzdření budovy z důvodu dosažení požadavků na užitné vlastnosti pro budovy ze dřeva vyšší než osm podlaží. Pokud mají být lidé ve vysokých budovách v bezpečí, je nezbytné požár zadržet a předejít kolapsu budovy. Pokud je oheň nad výškou hasičských žebříků, musí být absolutní spolehnutí na požární odolnost pro úplné vyhasnutí požáru. Je tu také nebezpečí rozšíření vertikálního požáru. Z toho důvodu se řešení této problematiky v Evropě stává prioritou výzkumu. S ohledem k uvedenému se dá předpokládat, že se požadavky s výškou budovy budou zvyšovat. Obecně by toto mohlo být založeno na hierarchii, viz tab. 2.

Úplné zapouzdření
Úplné zapouzdření se zajišťuje dostatečnou tloušťkou sádrokartonových desek nebo jiných podobných materiálů pro zabránění zuhelnatění dřeva. Tím se zajišťuje stejná úroveň požární odolnosti jako pro úplně nehořlavé materiály. Bylo ověřeno, že dvě vrstvy sádrových desek posunou při vystavení normovému požáru významně počátek zuhelnatění. Velmi však záleží na jejich tloušťce, detailech upevnění a typu sádrové desky.

Omezené zapouzdření
Omezené zapouzdření je ekonomičtější řešení, které má hlavně zabránit tomu, aby konstrukční dřevo přispělo k rozvoji požáru.

Vrstvené zapouzdření
Existuje též vrstvené zapouzdření, týkající se konstrukčních dřevěných prvků tvořených vrstvami dřeva a nehořlavých materiálů. V některých případech to může být dřevěný prvek s omezeným zapouzdřením obložený přidanou dřevěnou vrstvou pro zlepšení vzhledu a požární odolnosti. Je mnoho vhodných odlišných kombinací materiálů, všechny však vyžadují další výzkum a testování.

Závěrem lze konstatovat, že problematika výšky budovy z hlediska její spolehlivosti je komplikovaná. V každém případě pomáhají redukovat závažné poškození budovy aktivní protipožární opatření, jako jsou sprinklery. Pro velmi vysoké budovy lze přijmout i následující přístup: Velmi vysoké budovy mohou být navrhovány tak, aby byla velmi nízká pravděpodobnost šíření ohně do vyšších pater a velmi nízká pravdě- podobnost kolapsu stavby kdykoliv během trvání  požáru  nezávisle na tom, jestli může být požár kontrolován protipožárními službami a/nebo hasicími soupravami [4].

Tomu potom může být přizpůsoben návrh budovy formou splnění kritérií REI, kdy u vysokých budov je požadována požární odolnost konstrukce až 200 min.

Závěr

Současným cílem v Evropě je zpracovat jednotný požárně inženýrský přístup, založený na kritériích požární bezpečnosti/spolehlivosti staveb bez ohledu na hořlavost, či nehořlavost použitých stavebních materiálů. To znamená odstranit diskriminaci dřeva a výrobků na bázi dřeva. Pro plnohodnotné uplatnění tohoto přístupu je však potřeba pokračovat v přípravě co nejdokonalejších podkladových materiálů pro projektanty a orgány státní správy.

Různá omezení v národních technických normách jednotlivých zemí Evropy se postupně odstraňují, a to i v rámci procesu sjednocování norem v Evropě. Je to samozřejmě dlouhodobější a také citlivá záležitost, protože lidé mají zafixováno, že dřevo hoří, což se negativně podepisuje na jejich pocitu bezpečí.

Málokdo si však uvědomuje, že požáry vznikají, až když jsou pro to vytvořeny podmínky, především v podobě špatné údržby staveb. Ve sdělovacích prostředcích je problematika údržby staveb stále více prezentována i na příkladech staveb z jiných stavebních materiálů. Lidé si tak najednou uvědomují, že v případě špatné údržby mohou mít problémy i jiné konstrukce. Postupně tak dřevo nevnímají jako tak rizikový materiál. Dalším takovým důkazem jsou existující historické stavby ze dřeva.

Za hlavní předpoklad pro zvýšení používání dřeva v budovách tak můžeme považovat nastavení přiměřených požadavků na požární bezpečnost staveb ze dřeva v národních normách požární bezpečnosti.

Zdroje:
[1] GERARD, R., D. BARBER and A. WOLSKI, 2013. Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings. Arup North America Ltd. San Francisco, CA, and Fire Protection Research Foundation Quincy, MA, U.S.A. 162 pp.
[2] GREEN, M., 2012. The Case for Tall Wood Buildings – How Mass Timber Offers a Safe, Economical, and Environmentally Friendly Alternative for Tall Building Structures. Mgb ARCHITECTURE + DESIGN, Vancouver, Canada.
[3] ÖSTMAN, B. et al, 2010. Fire Safety in Timber Buildings – Technical Guideline for Europe. SP Report 2010:19. Stockholm, Sweden.
[4] SMITH, I. and A. FRANGI, 2014. Use of Timber in Tall Multi-Story Buildings. Structural Engineering Document SED 13, International Association for Bridge and Structural Engineering IABSE, 2014.
[5] ISO 834-1:1999. Fire resistance tests – Elements of building construction – Part 1: General requirements. International Standards Organization, 1999.
[6] ČSN 73 0802. Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty. Praha: ÚNMZ, 2009.
[7] EN 1995-1-2: Eurocode 5. Design of timber structures – Part 1–2 – General – Structural fire design.

Celý článek naleznete v archivu čísel 01-02/19.