Problematika zjišťování požární odolnosti stavebních konstrukcí zkouškami
Požární zkoušky stavebních konstrukcí jsou v současnosti předmětem velkého zájmu požárních specialistů i inženýrské veřejnosti, především v souvislosti s rostoucím zájmem ve větší míře realizovat vícepodlažní budovy, a to i na bázi dřeva. Výzkumné i regulační organizace v současné době čelí diskusím spojeným s objektivností použití zjednodušených požárních zkoušek jednotlivých částí stavebních konstrukcí, realizovaných na izolovaných konstrukčních prvcích, dílcích a spojích, které jsou vystaveny standardním požárům řízeným křivkami závislosti teploty a času, aby prokázaly požadované odolnosti na účinky požáru.
V současnosti je předmětem velkého zájmu posun ve způsobu zkoušení požární odolnosti od standardního požárního zkoušení podle normové teplotní křivky k nestandardním požárním zkouškám. Standardní zkouška požární odolnosti byla převládajícím prostředkem charakterizace odezvy konstrukčních prvků, dílců a spojů na účinky požáru po celé minulé století. Rozsáhlé nestandardní zkoušky prováděné po celém světě během posledních více než třiceti let identifikovaly četné nedostatky v dosavadním chápání skutečného chování stavebních konstrukcí při skutečných požárech; ty přitom nemohly být pozorovány standardními zkouškami. Přestože se zjištění mnoha z těchto nedostatků jeví jako nový pohled na problematiku požární bezpečnosti, mnoho z těchto poznatků bylo dobře známo po celá desetiletí, ale vzhledem k velmi rozšířenému používání standardních/ normových požárních zkoušek zůstalo do značné míry neadresováno. Teprve nyní, v rámci snažení změnit naše zkušební, návrhové a regulační přístupy, se tyto nedostatky staly předmětem diskuse. Tento článek stručně prezentuje dostupné informace a poznatky z nestandardních požárních zkoušek provedených v minulých letech a definuje současné mezery ve znalostech a potřebách v zájmu racionálního a co nejvíce sofistikovaného navrhování stavebních konstrukcí z hlediska požární bezpečnosti.
Úvod do problematiky
Počátkem standardních požárních zkoušek byly pokusy o provedení srovnání požární odolnosti různých stavebních materiálů a systémů za účelem posouzení jejich požární odolnosti na konci 19. století [6]. Požární odolnost, původně studovaná Woolsonem, nebyla zamýšlena jako finální řešení požárního návrhu konstrukce a regulačních problémů na přelomu 20. století, ale jako určité řešení problémů praxe v té době (především bezprostředně po velkých požárech v Baltimoru a San Francisku). V uvedené době byl stavební průmysl zaplaven různými patenty stavebních systémů, které buď nikdy nebyly zkoušeny, nebo neposkytovaly odpovídající úroveň ochrany při skutečných požárech. Standardní požární zkouška proto vznikla jako zkouška pro zjištění užitných vlastností konstrukce při nejhorším možném požáru. Nejčasnější odkazy na standardní zkoušky požární odolnosti pocházejí z New Yorku, města, které prošlo během konce 19. století rychlou inovací ve výstavbě, používáním nových lehkých konstrukčních materiálů (např. vlnitého plechu a betonových kompozitních podlahových systémů). Konstrukční systémy a materiály se v té době rychle měnily v důsledku šetření s prostorem a stavěním do výšky.
Městské stavební a požární předpisy zpočátku začaly s omezeními pro některé konstrukční materiály problematické za požáru, ale následně volaly po možnosti zjištění užitných vlastností materiálů v podlahách i příčkách z hlediska odolnosti za požáru a při následném chladnutí. Stěny a podlahy byly rozhodující pro zastavení šíření požáru a zabránění vzniku velkých požárů v hustě zastavěných městských centrech. Změny standardní křivky závislosti teploty a času byly potom provedeny v průběhu let v různých iteracích amerických norem ASTM (i když se stále nižším důrazem na zbytkovou únosnost prvků po požáru) a koncem dvacátých let 20. století byla rozšířena požární zkouška o sloupy a další konstrukční prvky; vyvíjející se do různých obdobných standardních požárních zkoušek, které se v současné době používají v mezinárodním měřítku. Přitom ve dvacátých letech 20. století již bylo obecně známo, že standardní požár nepředstavuje skutečný požár.
Nicméně i počátkem osmdesátých let 20. století stále panovala nadměrná důvěra ve standardní požární zkoušky, které byly široce uznávané, ale limitující pro inovace v architektuře a stavebnictví. Začaly se proto objevovat technické dokumenty [5], které otevřeně upozorňovaly na racionálnost a použitelnost standardních požárních zkoušek. Například byly konstatovány tyto skutečnosti:
■ standardní/normová křivka závislosti teploty a času nepředstavuje skutečný požár v reálné budově, neboť ve skutečnosti je to fyzicky nereálné, a dokonce to odporuje znalostem dynamiky požáru;
■ požadovaná doba vystavení požáru při standardní zkoušce (nebo časově odpovídající vystavení) je diskutabilní z mnoha důvodů a měla by být přezkoumána;
■ zatížení a podmínky uložení zkoušených prvků nejsou správně definovány a jednoznačně nemohou představovat spojitost, různá omezení, přerozdělení zatížení a membránové chování v reálných konstrukcích.
Budovy v případě požáru selhávají naštěstí jen velmi zřídka. Jestliže však selžou, je to téměř vždy z důvodů, které nebyly předpokládány na základě standardních zkoušek požární odolnosti. Složitost skutečného požáru reálných budov je totiž velice komplexní záležitostí a není možné ji v celé šíři podchytit při standardních zkouškách.
Požární inženýrství proto hledá řešení mezi používáním standardních požárních zkoušek a způsoby, které by mohly představovat racionálnější přístup. Realizují se požární zkoušky zaměřené nejen na podchycení srovnatelných konstrukčních vlastností dílčích materiálů, ale na racionální definování celé řady interakcí, které lze očekávat ve skutečných budovách za skutečných požárů.
V evropské směrnici pro stavební výrobky jsou zatím stanoveny pouze následující základní požadavky na požární bezpečnost, jež musí být splněny.
Konstrukce musí být navržena a postavena tak, aby splňovala tato kritéria:
■ únosnost prvků je zachována po předepsanou dobu;
■ vznik, šíření požáru a kouře je omezeno;
■ je redukováno šíření požáru do sousedních konstrukcí;
■ obyvatelé mohou opustit budovu nebo být zachráněni jinými prostředky;
■ je uvážena bezpečnost záchranných týmů.
Požární bezpečnost je však zatím v kompetenci každé evropské země. V ČR je řešena podle národních norem (např. ČSN 73 0810). Požární odolnost však již řešíme podle evropských norem (např. ČSN EN 1995-1-2), které umožňují požární odolnost (prvků, dílců a spojů v těchto technických normách zahrnutých) vypočítat. Tento článek pojednává o moderních, ale nestandardních požárních zkouškách ve větším měřítku včetně identifikace mezer ve znalostech a též potřebách dalšího výzkumu, zjištěných při těchto zkouškách – konkrétně s ohledem na vystavení požáru (jeho dynamiku), metody měření, problémy konstrukční optimalizace a způsoby poruch stavebních konstrukcí.
Reprezentativní nestandardní požární zkoušky ve větším měřítku
Ve světě i v České republice se stále více provádějí požární zkoušky ve větším měřítku. Při nich jsou konstrukce vystaveny skutečnému požáru a musíme vzít v úvahu řadu parametrů, které u standardní/normové požární zkoušky znát nepotřebujeme, např.:
Av,i plocha i-tého okenního otvoru [m2];
At celková plocha konstrukcí ohraničujících požární úsek [m2];
heq vážený průměr výšky oken ve všech stěnách [m];
Hu hodnota čisté výhřevnosti včetně vlhkosti [MJ/kg];
Mk,i množství i-tého hořlavého materiálu [kg];
O faktor otvorů požárního úseku [m1/2];
Qfi,k charakteristické požární zatížení [MJ];
qf požární zatížení vztažené na jednotku podlahové plochy [MJ/m2].
Standardní požární zkouška ve vztahu k realitě
Při přípravě a provádění nestandardní požární zkoušky ve větším měřítku by se mělo vycházet z toho, že požár je živel, a aplikovat princip tzv. konzistentní surovosti [3]. Tento princip byl původně prosazován při popisu obhajitelného přístupu k výpočetnímu modelování odezvy konstrukce na požár s tím, že se musí při provádění analýzy požáru použít podobné stupně „surovosti“ jako při modelování tepelné poruchy konstrukce. Zásadou je, že není vhodné provést podrobnou výpočetní analýzu průběhu požáru a pak ji uplatnit pro izolovaný nosník, ani není vhodné aplikovat standardní požární expozici na např. detailní model vícepodlažní budovy, založený na metodě ko- nečných prvků. Stejný princip platí pro nestandardní požární zkoušky stavebních konstrukcí ve větším měřítku.
Pokus o částečné vyřešení těchto problémů byl proveden zavedením systému (hybridní požární zkoušky), kterým jsou zkoušeny jednotlivé prvky a mechanické okrajové podmínky jsou stále upravovány systémem zpětné vazby za účelem zkopírování systému ve skutečné budově vystavené požáru (viz položka 2/4 na obr. 1). Tento systém byl zatím uplatněn pouze za použití standardní požární zkoušky, a přestože řada předpokladů, jak v oblasti tepelné, tak mechanické, nebyla zcela vyřešena, představuje tento přístup jednu z možností, jak co nejvíce realisticky simulovat mechanické okrajové podmínky za požáru.
Důsledky principu konzistentní surovosti, pokud jde o požární zkoušky konstrukcí, jsou schematicky znázorněny na obr. 1, kde jsou v maticovém formátu zobrazeny možné varianty řešení způsobu vystavení požáru a konstrukčního zkušebního uspořádání. Svislá osa ukazuje úrovně složitosti, s nimiž lze s požárem pracovat od standardního až po skutečný, a vodorovná osa ukazuje složitost konstrukce od zkoušení materiálu a dílce až po skutečnou trojrozměrnou konstrukci. Vybrané buňky v matici ukazují, jaký by mohl být cíl použití konkrétní kombinace požárního a konstrukčního modelu. Například položka 2/2 v matici ukazuje kombinaci stanardní požární křivky s jedním konstrukčním prvkem – jedná se o standardní požární zkoušku, ze které jsou získávány všechny normativní požadavky na požární odolnost konstrukce.
Aby byla zajištěna konzistentní surovost při požární zkoušce konstrukce, měly by být v tab. 1 dodrženy úhlopříčné souvztažnosti. S rostoucí složitostí ve vertikálním i horizontálním směru to přirozeně vede k položce 8/5, což představuje skutečnou reakci budovy na skutečný požár. Je pozoruhodné, že i když většina stavebních inženýrů v případě odezvy konstrukce vnímá důležité rozdíly mezi zkoušením materiálu nebo prvku a zkoušením celé konstrukce, jen velmi málo z nich je dostatečně informovaných v oboru požární problematiky, aby si uvědomovali důležité rozdíly mezi rovnoměrným ohřevem, standardním požárem, zónovým požárním modelem, prostorovým požárním modelem a skutečným požárem. Jedním z důsledků toho je, že většina požárních zkoušek konstrukcí ve větším měřítku, které byly provedeny v průběhu posledních let, se snažilo napodobovat standardní požár spíše než simulovat ten skutečný. Paradoxně to vychází z přesvědčení autorů zkoušek, že většina skutečných poznatků v požárním inženýrství bude nalezena spíše tím, že se bude racionálně zohledňovat požár než zvyšovat složitost zkušebních sestav konstrukcí [4].
Na obr. 1 je také znázorněno, pro jaké účely se určité kombinace požárního a konstrukčního zjednodušení většinou používají – zda pro příležitostný výzkum (P/V), nebo mají charakter ověřovací zkoušky (O/Z). Z matice víceméně vyplývá, že inženýrská komunita bere mnohem více v úvahu realistické pojetí konstrukce než realistické pojetí požáru.
Mezery ve znalostech a potřeby zkoušení konstrukcí za požáru
Vzhledem ke složitosti skutečných požárů v reálných stavebních konstrukcích prezentovaných na obr. 1 je požární zkouška konstrukcí náročná a komplikovaná. Posledních cca třicet let nestandardních požárních zkoušek ve větším měřítku (viz tab. 1 a obr. 1) prokázalo velký odborný zájem o různou, ale vzájemně související problematiku. Jako objektivní se ukazuje více realizovat tuto formu výzkumu, aby bylo možné spolehlivěji popsat skutečné chování stavebních konstrukcí za skutečných požárů. Například jednou z věcí, která je předmětem velkých diskusí, je radiace/sálání tepla z budov za požáru. V případě dřevostaveb je velkým problémem, že stěna s otvorem je celá uvažována jako požárně otevřená plocha. Na obr. 2 je příklad požární zkoušky provedené za účelem poznání chování experimentální dřevostavby na bázi lehkého dřevěného skeletu za skutečného požáru.
Při zkoušce byla, mimo jiné, radiometrem měřena radiace/sálání tepla dveřním otvorem. Cenným poznatkem bylo, že naměřená hodnota byla nižší v porovnání s hodnotou (18,5 kW/m2) stanovenou podle platných výpočetních postupů. Na základě takto získaných poznatků lze potom zpřesňovat výpočetní postupy uvedené v technických normách.
Projevy požáru
Standardní/normová požární křivka závislosti teploty a času nepředstavuje reálný požár ve skutečné budově. Aby bylo možné opravdu pochopit odezvu stavebních konstrukcí na skutečné požáry, je nutné provést zkoušky konstrukcí a konstrukčních prvků vystavením nejhoršímu možnému požáru. V závislosti na typu konstrukce a uvažované obsazenosti to může vyžadovat zvážení lokálních, horizontálně a/nebo vertikálně pohybujících se požárů, které mají potenciál nastolit situace, jež nelze popsat standardními požáry.
V současnosti pokračují práce na zjednodušení popisu skutečného požáru. Parametrické požáry podle Eurokódů se například snaží empiricky zohlednit různé faktory, jako je požární zatížení, typ požáru, podmínky větrání, hraniční tepelné vlastnosti, sálavé radiační teplo ze stěn, velikost požárního úseku atd. Tyto parametrické požáry představují v současnosti jedny z nejpokrokovějších požárních modelů, které lze používat pro požární analýzu většiny konstrukcí budov.
Parametrické požáry byly vyvinuty na základě požárů v malých požárních úsecích, které nejsou reprezentativní pro mnoho moderních „otevřených“ konstrukcí. Je dobře známo, že se oheň v prostoru nechová homogenně a že v řadě případů naměřené teploty převyšují teploty předpokládané podle normové teplotní křivky. Nicméně i parametrická křivka, která již zohledňuje vliv otvorů požárního úseku, může být při skutečném požáru překonána, viz obr. 3. Žádná moderní nestandardní požární zkouška ve větším měřítku dosud však zásadním způsobem neřešila globální účinek vertikálně postupujícího požáru.
Abychom dosáhli záměru, že konstrukce má být navržena na nejhorší možný požár, musíme lépe porozumět (a zavést do návrhu) skutečné šíření požáru a jeho účinky na různé stavební materiály a jejich sestavy.
Metody měření
Některé rozsáhlé nestandardní požární zkoušky byly provedeny již před rokem 1980. Většina těchto zkoušek zahrnovala dřevěné konstrukce, u kterých byla většinou lehce proveditelná analýza zuhelnatění a možnost zohlednění deformace konstrukce v závislosti na teplotě.
Lepší informace o napětích a deformacích v průběhu požárních zkoušek by měly umožnit přesnější pochopení odezvy konstrukcí a poskytnout další údaje nezbytné pro vývoj a ověření kvalitního výpočetního modelu. Pro tyto účely je potřeba stále zdokonalovat různé typy senzorů, především se zaměřením na ty bezdrátové. Vedle toho je též potřeba zaměřit se více na to, co se vlastně měří a co by se mělo měřit, aby bylo možné skutečně pochopit globální užitné vlastnosti zkoušené konstrukce.
Konstrukční optimalizace
Moderní konstrukce jsou vysoce optimalizované, čím dále tím více za použití sofistikované počítačové analýzy, ve snaze snížit hmotnost, náklady, dopad na životní prostředí, emise uhlíku a zhmotněnou energii v budovách. Moderní konstrukce také stále více využívají inovativních materiálů, jako je například vysokopevnostní samozhutnitelný beton, polymery vyztužené vlákny (FRP), konstrukční lepidla, nerezová ocel a inovativní konstrukční systémy, jejichž odezvy při požáru nejsou v mnoha případech dobře známy. Nové materiály a konstrukční systémy musí být proto maximálně a racionálně vyhodnoceny dříve, než budou ve větší míře aplikovány ve stavebnictví. Vyžaduje to např. i provádění nestandardních požárních zkoušek, zejména proto, že standardní zkoušky ve zkušebních pecích, které byly vyvinuty pro konvenční stavební materiály a systémy, jsou založeny na definicích konstrukční odezvy a poruch, které se často nedají použít pro nové inovativní konstrukce.
Konstrukční interakce a asymetrie
Ač jsou často dostupná rozsáhlá zkušební data z nestandardních požárních zkoušek, ve větším měřítku stále pokrývají pouze zlomek možných konstrukčních konfigurací, které jsou zastoupeny v současném globálním stavebním fondu, natož vysoce optimalizované budovy budoucnosti. Většina doposud provedených požárních zkoušek konstrukcí, ať už standardních, nebo nestandardních, studovala až na výjimky pravidelné, symetrické, vysoce idealizované konstrukce. Moderní konstrukce však stále více využívají nepravidelných stropních desek s proměnným půdorysem a rozpětím, velikostí polí v různém provedení atd. Možný vliv nepravidelných půdorysů a složitých stavebních tvarů je třeba zkoumat jak experimentálně, tak numericky, má-li být spolehlivě aplikováno požární inženýrství založené na užitných vlastnostech. Význam nepravidelného uspořádání budovy, polohy servisních jader a příčného omezení teplotní délkové roztažnosti je již znám (prostřednictvím modelových studií skutečných výškových budov) a je potenciálně důležitý pro celkovou odezvu konstrukce při požáru.
Rozčlenění požárních úseků a šíření požáru
Většina požárních zkoušek konstrukcí ve větším měřítku se dodnes zaměřovala na zabránění konstrukčnímu kolapsu během požáru a relativně málo pozornosti bylo věnováno zachování rozdělení požárních úseků při velkých deformacích v reálných konstrukcích během požáru. Přitom je to velice důležité vzhledem k velkým průhybům stropních desek a širokým odděleným trhlinám, které byly při těchto požárních zkouškách ve velkém pozorovány, zejména u ocelobetonových kompozitních desek. Měly by se proto více studovat dopady svislých a příčných deformací konstrukčních rámů na zastavení požáru a horizontální i vertikální dělení požárních úseků, aby se zachovalo bezpečné prostředí v budovách. Ty jsou v současnosti stále více závislé na různých strategiích ochrany. Například ve výško- vých budovách jsou strategie požární bezpečnosti často založeny na předpokladu, že požár bude omezen na patro (či dokonce místnost) vzniku a osoby budou postupně evakuovány.
Velkou roli hraje kvalita instalovaných požárních zábran mezi podlažími ve vícepodlažních budovách. Hlubší poznání této problematiky je možné získat nestandardními požárními zkouškami, při kterých je vertikální šíření požáru výslovně simulováno skutečnými požáry za účelem vyhodnocení konstrukčních dopadů možných požárů, existujících současně na více než jednom patře konstrukce.
Provedení detailů a konstrukční chyby
Poznatky získané z nestandardních požárních zkoušek upozorňují na řadu důležitých konstrukčních detailů a potenciálních stavebních chyb, které se mohou zdát pro dodavatele staveb nevýznamné, ale které mohou mít hluboký dopad na požární odezvu konstrukce a celistvost budovy během požáru. Příkladem může být např. celistvost dílců a požárních zábran při velkých deformacích, překrývání a ukotvení ocelové výztuže, použití specifických typů šroubových spojů bez hlubší znalosti jejich mechanických vlastností a rotační odolnosti za požáru, kvalita, jednotnost a robustnost konstrukčních prvků i materiálů protipožární ochrany (buď pasivní, nebo intumescentní) atd. Na obr. 4 je znázorněno, jak citlivě může být proveden detail styku rámu dřevěné konstrukce s vkládanými ocelovými plechy, kdy do vyfrézované drážky jsou vsazeny speciální protipožární intumescentní pásky, jež při dosažení teploty 150 °C nabobtnají.
Chování ve fázi chladnutí a zbytková únosnost
Množství lokalizovaných konstrukčních poruch nebo nepříznivé konstrukční odezvy ocelových spojů, plochých betonových desek a dutých desek byly pozorovány během fáze chladnutí – jak v případě skutečných požárů ve skutečných budovách, tak nestandardních režimů ohřevu při požárních zkouškách konstrukcí ve větším měřítku. Chování konstrukce vyplývá z dotvarování, lokalizované a/nebo globální plastické deformace, lokálního vzpěru i teplotního smrštění a jeho omezení. Toto chování musí být lépe pochopeno v případě všech typů konstrukcí, pokud chceme navrhovat budovy na vyhoření požárního úseku bez kolapsu konstrukce. Zbytková únosnost konstrukcí staveb porušených požárem, které prošly velkými deformacemi, není dobře známa, a proto se musí provádět jejich demolice.
Data pro kalibraci, validaci a kontrolu modelu
Experimentální data jsou nezbytná pro kalibraci, kontrolu a ověření stávajících i nově vznikajících výpočetních metod pro simulaci odezvy konstrukce a konstrukčních prvků za požáru. Tento požadavek platí jak na úrovni materiálu, tak na úrovni konstrukce (respektive konstrukčního systému). Zapotřebí jsou konstitutivní materiálové modely za vysokých teplot pro generování spolehlivých vstupních dat pro konstrukční modely a pro lepší pochopení odezvy systému na požár a možné způsoby porušení. Taková data potřebujeme získat, aby byly pochopeny vzájemné vztahy mezi napětím, teplotou, časem a deformací, které hrají roli u většiny inženýrských/konstrukčních materiálů.
Spoje
Chování spojů za požáru a též v době chladnutí po požáru je pro řadu konstrukcí klíčové. Vzhledem k rozsahu možných typů spojů, odezvy celé konstrukce na požár a režimů selhání je velice nutný další výzkum, který umožní lépe porozumět celé škále možných spojů. Je třeba vyvinout a ověřit možnosti jejich výpočetního modelování pro předvídání jejich odezvy a navrhnout co nejlepší postupy pro jejich výrobce. Zapotřebí je také správné provedení detailů u spojů prefa- brikovaných prvků a dílců v budovách v zájmu zajištění robustnosti konstrukce vystavené požáru.
Způsoby selhání
Když reálné konstrukce při požáru selhávají, jen zřídka je to z důvodů, které by mohly být očekávány na základě standardních zkoušek požární odolnosti. Ve většině případů je globální selhání konstrukce urychleno určitou formou lokálního selhání nebo narušení konstruk- ce, jako jsou lokální trhliny v betonu, přetržení tahové výztuže, selhání spoje, lokální vybočení ocelových konstrukcí, smykové selhání betonové desky (protlačením), porušení špatně provedené předpínací výztuže atd. Na základě hlubšího poznání a vyhodnocení možných způsobů selhání konstrukcí je potom třeba je racionálně začlenit do výpočetních modelů řešících jejich celkovou odezvu na účinky požáru.
Závěr
V tomto článku je stručně zhodnocen historický základ standardních požárních zkoušek. V tab. 1 je potom uveden přehled nestandardních požárních zkoušek ve větším měřítku provedených od roku 1982 do roku 2014.
Záměrem standardní požární zkoušky bylo v době jejího vzniku poskytnout nejhorší možnou srovnávací zkoušku pro konkurenceschopné stavební materiály a systémy. Nicméně tato zkouška je založena na velmi omezené znalosti dynamiky požáru. Původním záměrem však bylo řešit problémy doby, kdy byla zkouška vytvořena, než vyvinout zkoušku, jež by se používala beze změny více než sto let. Dá se předpokládat, že v budoucnu se požární zkoušky všech druhů konstrukcí budou postupně vzdalovat od standardní zkoušky požární odolnosti ke zkouškám co nejvíce vystihujícím skutečný průběh požáru.
Pro poskytnutí hlubších informací o chování stavebních konstrukcí vystavených požáru jsou samozřejmě ideální požární zkoušky v měřítku 1 : 1 (full-scale fire tests), které by měly přispět k prohloubení poznání dílčí problematiky související s jejich požární bezpečností.
V případě dřevěných konstrukcí je předmětem zájmu např.:
■ stanovení příspěvku masivních dřevěných prvků k závažnosti požáru při nestandardním vystavení požáru (zajímavé také pro standardní vystavení požáru);
■ stanovení času odpadávání obložení pro nestandardní vystavení požáru (také vyžadováno pro standardní vystavení požáru);
■ stanovení příslušných podmínek s ohledem na vystavení požáru pro různé typy požárních zábran v dutinách dřevěných konstrukcí;
■ stanovení vlivu dřevěných fasádních obkladů na vnější šíření požáru ve vícepodlažních budovách s plameny vystupujícími rozbitými okny po celkovém vzplanutí v bytě;
■ stanovení vlivu aktivní (např. sprinklery) požární ochrany na užitné vlastnosti konstrukce za požáru a vnější šíření plamenů v budově.
Pro rozšíření určitých poznatků požární problematiky dřevěných konstrukcí je však možné použít i požární zkoušky v menším měřítku (small-scale fire tests) zaměřené na:
■ stanovení míry zuhelnatění různých druhů dřeva a výrobků na bázi dřeva pod různými úrovněmi tepelného zatížení;
■ stanovení samozhášivých vlastností různých druhů dřeva a výrobků na bázi dřeva pro různé úrovně vystavení požáru;
■ stanovení výkonnosti různých typů požárních zábran podle podmínek vystavení požáru;
■ stanovení užitných vlastností různých typů spojů podle podmínek vystavení požáru;
■ zkoumání užitných vlastností konstrukčních lepidel v požárních podmínkách.
Vedle požárních zkoušek se v současnosti též stále více používá numerické modelování požárů a požární odolnosti konstrukcí s využitím výpočetní techniky. V tomto případě je možné konstatovat, že dřevostavby jsou obecně jednodušší pro modelování účinků požáru než ocelové nebo betonové konstrukce, a to díky nízké tepelné vodivosti a teplotní roztažnosti dřeva. Tepelně ovlivněná vrstva dřeva, která je pod úrovní jeho zuhelnatění, je obecně velmi tenká (~20–40 mm v závislosti především na jeho druhu a hustotě) a vlastnosti dřeva pod touto vrstvou jsou v podstatě stejné jako u dřeva za běžné teploty. Použití pokročilých MKP metod v pří- padě dřevěných konstrukcí není zatím v porovnání s ocelovými a betonovými konstrukcemi tak akutní, protože výpočty založené na zuhelnatění dřevěných prvků jsou přijatelně přesné a stále se zpřesňují.
Závěrem je možné konstatovat, že hlavními překážkami spojenými s modelováním dřevěných konstrukcí za skutečných požárů jsou:
■ znalost očekávaných teplot plně rozvinutých požárů;
■ znalost míry zuhelnatění jako funkce vystavení požáru;
■ znalost tepelných a mechanických vlastností dřeva závislých na teplotě a vlhkosti;
■ znalost tepelných a mechanických vlastností dřeva závislých na teplotě a vlhkosti;
■ znalost samozhášivých vlastností zuhelnatěného dřeva;
■ předpovídání požárních charakteristik a času odpadávání ochranných systémů (např. desek na bázi sádry);
■ předpovídání šíření ohně z patra do patra pomocí vznětlivého obložení fasády;
■ předpovídání efektivity detailů pro zabránění vnitřnímu šíření ohně;
■ předpovídání požárních charakteristik spojů mezi dřevěnými konstrukčními prvky.
V současnosti se připravuje nová verze Eurokódu 5 pro navrhování dřevěných konstrukcí na účinky požáru, která by měla co nejvíce zacelit mezery ve výpočtech požární odolnosti a dále i zpřesnit výpočetní postupy.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory grantu TAČR TE02000077 Inteligentní regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj.
Zdroje:
[1] ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení. ÚNMZ Praha, 2016.
[2] ČSN EN 1995–1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1–2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. ČNI, Praha 2006.
[3] BUCHANAN, A. Structural Design for Fire Safety. Wiley, 444 pp.
[4] Gales J, Maluk C, Bisby L. Large-scale Structural Fire Testing – How Did We Get Here, Where Are We, and Where Are We Going? 15th International Conference on Experimental Mechanics, Porto, paper ref. 2813.
[5] LAW, M. Designing Fire Safety For Steel – Recent Work. Proceedings of the ASCE Spring Convention, American Society of Civil Engineers, New York, 16 pp.
[6] WOOLSON, I. Dwelling Houses: A Code of Suggestions for Constructions and Fire Protection Recommended by the National Board of Fire Underwriters, American Institute of Architects. New York, 137 pp.