Slovenčina
V první části našeho článku, kterou jsme uveřejnili v předchozím vydání Dřevařského magazínu eDM 5/2024, jsme analyzovali požární odolnost dřevěných konstrukcí ve srovnání s betonovými či ocelovými s důrazem na jejich chování v průběhu požáru a po něm.
Velké a výškové stavby s větším využitím dřeva v České republice a zamyšlení se ohledně inženýrského přístupu
Sendvičové konstrukce s dřevěnými sloupky kombinující tradiční materiál, jakým je dřevo, s moderními stavebními metodami, přináší řadu výhod. Tyto konstrukce jsou ceněny pro svou efektivní izolaci, jak z hlediska tepla, tak i zvuku, což umožňuje vytvořit v interiéru příjemné klima a zároveň snížit náklady na energie. Zároveň se jedná o lehký systém, což usnadňuje rychlou a efektivní montáž, přičemž pevnost a stabilita konstrukce zůstávají zachovány.
Nicméně, i když dřevěné sloupky přispívají k celkové strukturální integritě a mohou být esteticky přitažlivé, pokud jsou viditelné, v mnoha sendvičových konstrukcích zůstávají skryty uvnitř izolačních vrstev. Další výzvou může být omezení, která přináší použití dřeva v konstrukcích vyžadujících velké rozpony nebo specifické architektonické prvky, což může vést k potřebě komplexnějších řešení nebo zvýšení nákladů.
U sendvičových panelů je nutné zmínit, že při výstavbě jsou náchylnější k poruchám, pokud není dodržen přesný pracovní postup. Zároveň lze velmi snadno narušit jejich požární odolnost jejich provrtáním. Tento systém se například výborně hodí na malé objekty, typicky rodinné domy.
Těžké dřevěné skelety představují další zajímavou možnost využití dřeva ve stavbách. Tyto konstrukce jsou známé svou robustností a schopností nést vysoké zatížení, což je činí ideální volbou pro velké budovy, jako jsou haly, vícepatrové obytné domy nebo veřejné budovy. Využití těžkých dřevěných skeletů umožňuje vytvářet prostory s velkými rozpětími bez nutnosti mnoha mezipodpěr, což otevírá dveře kreativitě v designu a architektuře. Především, pokud je využito dřevo lepené, které může být vyrobeno s velkou přesností a dle potřeb projektanta.
Jednou z hlavních výhod těžkých dřevěných skeletů je jejich vysoká pevnost a odolnost v kombinaci s relativně nízkou hmotností ve srovnání s tradičními stavebními materiály, jako je ocel nebo beton. Navzdory těmto pozitivům, těžké dřevěné skelety přinášejí i určité výzvy. Mezi ně patří potřeba pečlivého plánování a přesné výroby, aby se zajistilo, že všechny části konstrukce perfektně zapadají do sebe, výzvu v náročných detailech spojů či konstrukčních spár, které výrazně mohou při špatném provedení snížit únosnost celé konstrukce. Z hlediska požární odolnosti oproti sendvičovým konstrukcím jsou u těžkých skeletů hlavní výzvou detaily, například spoje. U sendvičových konstrukcí jsou spoje dřevěných prvků chráněny krycí deskou, často nehořlavou.
Pojďme se podívat na možnosti využití dřeva ve výstavbě vysokých staveb, jako jsou mrakodrapy. Jak bylo zmíněno v předchozích částech, normy omezují výšku dřevěných konstrukcí bez speciálního inženýrského zásahu na 12 metrů. To však neznamená, že vyšší dřevěné stavby nejsou možné – klíčem je již zmíněný požárně inženýrský přístup.
Ale co přesně znamená tento inženýrský přístup? Odpověď není vůbec jednoduchá. Zahrnuje pokročilé výpočty a numerické modely, které mohou analyzovat chování dřevěných spojů při požáru, odhadovat změny teplot a posoudit zvýšená rizika nejen například pro evakuaci lidí, včetně paniky a zvýšené produkce kouře hořením dřevěných konstrukcí. Tyto postupy nám umožňují přesněji předvídat, jak se budovy zachovají v kritických situacích a jak zajistit celkovou požární bezpečnost.
Použití inženýrského přístupu sice může být časově náročné a dražší, ale v případě vysokých dřevěných konstrukcí, které jsou komplikované, je tato detailní péče naprosto nezbytná. Každé zvýšení rizika pro osoby ve stavbě, ať už kvůli kouři nebo neočekávanému selhání konstrukce, je nepřijatelné.
Pro představu si pojďme krátce představit některé případy pro možné posouzení inženýrským přístupem, například v 20 patrové budově. Bez jakýkoliv debat by v tomto případě musely být navrženy dvě a více chráněné únikové cesty zajišťující bezpečnou evakuaci. Tyto cesty by byly tvořeny například železobetonovými jádry se schodišťovými prostory, které by zároveň zajišťovaly přenos zatížení větrem do základů.
Chráněné únikové cesty by musely být přetlakově větrány, kdy strojovna vzduchotechniky pro požární větrání by byla velmi velká. Tento předpoklad je nutný, a dle názoru autorů z něj nelze upustit, protože takto by byla zajištěna bezpečná evakuace osob z objektu, ale také rychlý a účinný zásah hasičů, kteří by postupovali těmito schodišti směrem k požáru.
Požární experiment vystavení dřevěných sloupů tzv. orientovanému požáru. Licence: Všechna práva vyhrazena. Další šíření je možné jen se souhlasem autora. Foto: Jiří Ryzsawy / ČVUT Praha
Pokud bychom se měli v tomto případě více podívat na tuto problematiku očima laika, tak se na chvíli oprostěme od základních požárních norem, a podívejme se na problematiku například bezpečného úniku ve výškové budově s chráněnými únikovými cestami. Konkrétně pro představu dvě chráněné únikové cesty tvořené železobetonovými jádry od prvního podlaží po poslední, zatímco ostatní konstrukce by byly realizovány z dřevěných CLT panelů (ztužení a problematiku zatížení větrem pomineme): zde vzniká otázka ohrožení lidí v nechráněných cestách na jednotlivých podlažích. Tedy možnost většího vývoje kouře, zvýšení rychlost šíření plamene po stěnách a stropu, kdy mohou být nechráněné cesty zataraseny plameny. Oproti tomu lidé již unikající v chráněné únikové cestě by byli chráněni před účinky požáru.
Problémem ale nastává v nutnosti zohlednění zvýšeného rizika například ohrožení osob v závislosti na délce únikové cesty a výškové poloze jejího začátku. Zde je nutné zmínit důležitou poznámku: požární normy představují minimální limit pro standardní požární bezpečnost, tedy pokud by byl navrhováno nestandardní řešení, bylo by vhodné přistoupit například k návrhu další chráněné únikové cesty, která by dle požárních standardů nebyla nutně požadována.
Zároveň je třeba poznamenat, že je v těchto případech vhodné udělat si rizikovou analýzu celého objektu a stanovit si vyšší standardy budovy, které budou splňovány nad limity normy. Zde lze uvést, že je potřeba překročit standardní požární normy a navrhnout dodatečná opatření, která by toto riziko kompenzovala, například instalací dalších aktivních požárně bezpečnostních zařízení.
V případě bytového domu v Norsku, o kterém byla zmínka v úvodu tohoto článku, byl například navržen duplicitní systém pro hašení, aby v případě výpadku jednoho systému zůstal funkční druhý. Tento přístup může snížit riziko ohrožení osob. V případě nedostatečné efektivity hašení požáru prvním systémem by mohl být aktivován druhý, nezávislý systém (zásahem člověka, nebo automaticky).
Nebo lze přistoupit k duplicitě navržení nezávislého systému pro detekci a varování, který by snižoval riziko nedostatečné reakce na požár v důsledku údržby nebo ignorování alarmu obyvateli. Tento druhý systém by mohl mít odlišný poplašný signál, což by lidi více přinutilo k evakuaci. Je důležité si uvědomit, že lidé mají tendenci nebezpečí přehlížet, pokud je přímo neohrožuje.
Doplňkové a duplicitní návrhy bezpečnostních zařízení mohou výrazně zvýšit finanční náročnost stavby. V určitých specifických případech, kdy je riziko ohrožení osob nebo zasahujících hasičů zvýšené, je však tato vyšší finanční investice odůvodněná a splňuje zvýšení požadavky na bezpečnost. Je také důležité zvážit, zda volba hořlavý materiálů v konstrukcích je přes zvýšené riziko vhodná, nebo jestli se již nevyplácí je nahradit nesnadno hořlavými materiály.
Rozhodovací proces o vhodnosti použití konkrétních materiálů je náročný a zahrnuje spolupráci mnoha odborníků z různých oborů. Tento proces může trvat dlouho a vyžaduje si definování a dodržování specifických kritérií přijatelnosti.
Ačkoliv v současné době existují v České republice přísné normové limity pro výšku staveb z dřeva nebo s použitím hořlavých materiálů, je možné stavět velké objekty ze dřeva, kdy jejich realizace je podmíněna požárně inženýrským přístupem. Vzhledem k tomu, že pro inženýrský přístup nebo navrhování nových materiálů, jako je například dřevo a beton ve spřažených stropních konstrukcích, je nutné postupovat podle nejnovějších poznatků z výzkumu, klade tato situace vysoké nároky na zkušenosti projektantů a často vyžaduje zapojení odborníků z akademické obce. Spolupráce s akademickou obcí může zahrnovat konzultace nebo využití numerických modelů, což pomáhá zajistit, že návrh objektu bude bezpečný.
Z hlediska konstrukce a materiálů může být omezení viděno v absenci normových postupů pro některé materiály nebo jejich kombinace, jako jsou například spřažené dřevobetonové. Autoři se domnívají, že budoucí výškové budovy nebudou postaveny výhradně z lepeného lamelového dřeva nebo CLT panelů, ale spíše půjde o hybridní konstrukce, které využívají potenciál kombinace různých materiálů. Tyto kombinace mohou například zlepšit požární odolnost nebo zvýšit únosnost konstrukce při extrémních zatíženích, než jaké by bylo možné dosáhnout s čistě dřevěnými konstrukcemi. Tím se otevírá cesta pro inovativní a bezpečné využití materiálů v konstrukci výškových budov v České republice.
Výzvy v oblasti výzkumu dřevěných nebo hybridních konstrukcí, a co lze ještě zkoumat v oblasti hoření dřeva
Zabývání se dřevostavbami ve výzkumu představuje výzvu kvůli jejich komplexnosti, která neumožňuje omezit se pouze na jednu specifickou oblast. Tato komplexita vyplývá z rozmanitosti témat, jimiž se lze v rámci dřevěných konstrukcí zabývat.
Patří sem nejen otázky týkající se ohrožení osob při evakuaci, jako jsou množství a toxicita kouře, viditelnost během úniku, či rychlost šíření požáru mezi místnostmi, ale také problematiky spojené s vlastnostmi dřeva či jeho únosnosti. Zajímavé je zkoumat, jak může být ovlivněna rychlost hoření dřeva, jak se mění jeho průřez a schopnost přenášet zatížení, nebo jak ocelové spojovací prvky mohou ovlivnit celkovou únosnost konstrukce.
Výzkum může dále zahrnovat aspekty udržitelnosti staveb, včetně analýz zaměřených na emise, odpadové hospodářství, dopady na energetiku a provoz budovy v průběhu jejího životního cyklu, který je standardně předpokládán na minimálně 50 let.
V rámci výzkumu dřevostaveb se část výzev zaměřuje specificky na konstrukce a jejich mechanické chování při požáru. Bez tohoto specifického omezení by oblast výzkumu byla velmi složitá, zahrnující například studium hoření dřeva z chemického hlediska, tepelného rozkladu a rychlosti uvolňování tepla, analýzu rychlosti šíření požáru po hořlavé konstrukci a zajištění prostoru pro bezpečný únik atd.
Je prozkoumáváno několik klíčových oblastí, mezi něž patří parametrické požáry, zohlednění chladnoucí fáze požáru a vliv orientace požáru na reakci dřevěných konstrukcí během požáru. Uvědomujeme si, že mnoho dalších relevantních oblastí zde není zmíněno, a proto by bylo nutné celý článek o výzkumu dřevostaveb rozšířit o další rozsáhlé oblasti. Tento přístup poukazuje na nutnost multidisciplinárního přístupu v rámci výzkumu dřevostaveb či hoření dřeva.
Při projektování požární bezpečnosti staveb se obvykle vychází ze standardního modelu vývoje požáru, který je definován pomocí normové teplotní křivky. Tato křivka předpokládá neustále rostoucí teplotu požáru, například 738 °C po 15 minut, 842 °C po 30 minut a 945 °C po 60 minut. Hlavní výhodou tohoto modelu je jeho jednoduchost, neboť teplota závisí pouze na čase, a nezahrnuje chladnoucí fázi požáru nebo množství hořlavých látek.
V situacích, kdy je potřeba zohlednit specifické podmínky, jako jsou otvory v místnostech, nucené větrání, velikost a výška místnosti, a zejména chladnoucí fázi požáru, se nabízí využití tzv. parametrického požáru. Tento přístup umožňuje předpověď vývoje požáru v konkrétním prostředí, a tím lépe předpovídat chování dřevěných konstrukcí.
Další metodou pro určení teplot při požáru jsou lokální požáry, předpokládající, že požár se nerozšíří na celou místnost. Tato metoda je vhodná pro situace, kde se očekává omezené šíření požáru, ale z pohledu možnosti využití této metody je velmi komplikované ověřit, že požár nebude rozšířen. Použití postupů, jako je parametrický požár, je nicméně omezeno. Tyto metody se mohou aplikovat pouze v omezeném procentu objektů (studie uvádí do 10 % případů pro parametrický požár) kvůli definovaným kritériím, jako je maximální plocha požárního úseku nebo minimální a maximální podíl oken. Tato omezení značně snižují možnost jejich využití v praxi.
Co je nyní z hlediska chování dřevostaveb možné zkoumat, to jsou specifické typy požárů, které mohou vzniknout například v rozsáhlých prostorech, jako jsou otevřené kancelářské prostory typu „open space“. Představme si, že oheň vznikne u jednoho pracovního místa, kde může začít hořet stůl, počítač či židle, ale v první fázi se nemusí šířit dále. Toto postupné šíření požáru klade na stavební konstrukce specifické nároky, neboť jsou namáhány nerovnoměrně. Pro tyto situace je významné modelování přirozených, orientovaných či putujících požárů, které spadají mezi pokročilé metody návrhu požární bezpečnosti. Tyto modely umožňují vědcům a inženýrům hlouběji proniknout do dynamiky šíření požáru a teplotních podmínek v místnosti, zohledňují přitom množství faktorů od velikosti místnosti, přes materiály použité na stěnách. Výzkum v této oblasti, včetně experimentů ve speciálně upravených testovacích místnostech, poskytuje cenné poznatky o chování dřeva při požáru – znázorněno na obrázcích.
Experiment zkoumající vliv orientovaného požáru na hoření dřeva. Autor experimentu: Ing. Jakub Šejna, fotograf: Bc. Jiří Ryzsawy, zdroj: https://media.cvut.cz/
Vliv „orientovaného“ požáru na vývoj zuhelnatělé vrstvy. Autor experimentu: Ing. Jakub Šejna, fotograf: Bc. Jiří Ryzsawy, zdroj: https://media.cvut.cz/
Příprava a provedení těchto experimentů vyžaduje značné úsilí a čas, ale výsledky jsou přínosné pro pochopení procesů, které probíhají při hoření dřeva. Tyto pokročilé modely nám umožňují předvídat různé průběhy požáru a jeho dopady, což je nezbytné pro navrhování efektivnějších opatření na ochranu dřevěných konstrukcí před požáry, a takto poskytnout základy a poznatky, které by šly využít při používání inženýrského přístupu projektanty.
Shrnutí na závěr
V současné době se v architektonické a stavební branži klade velký důraz na udržitelnost a ekologickou stavitelnost, přičemž dřevo se ukazuje jako významný materiál díky své obnovitelnosti a schopnosti vázat uhlík.
Přestože dřevo nabízí mnoho výhod, požární bezpečnost představuje specifickou výzvu, zvláště ve vztahu k výškovým dřevostavbám. Normy v různých zemích se liší, v České republice je normami omezena výška budov s hořlavým konstrukčním systémem na 12 metrů, nebo je nutné využít inženýrský přístup, což může mít za následek zvýšení ceny za projekt. Inženýrský přístup a výzkum, zahrnující pokročilé numerické modely nebo i požární zkoušky, se ukazuje jako cesta pro postavení výškových staveb v Česku s větším zastoupením dřeva v konstrukcích.
Využití pokročilých výpočtů umožňuje překonat současné normativní omezení a otevírá cestu k inovativnímu využití dřeva ve výstavbě. Zároveň výškové dřevěné konstrukce často využívají kombinaci dřeva s dalšími materiály a technologiemi, aby splnily požadavky na požární bezpečnost. Existuje proto potřeba dalšího výzkumu chování nejen dřevěných konstrukcí při požáru.
Doporučená literatura k přečtení
- WALD, František. Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2005. ISBN 80-010-3157-8.
- WANG, Y. C., I. BURGESS a F. WALD. Performance-based fire engineering of structures. 2012. Boca Raton: CRC Press, c2013. ISBN 978-0-415-55733-7.
- ŠEJNA, Jakub a BLESÁK, Lukáš. Požární odolnost dřevěných konstrukcí. Praha: Česká technika – nakladatelství ČVUT, 2022. ISBN 978-80-01-07012-3.
Převzato z portálu ekolist.cz se souhlasem redakce.
Autoři: Ing. Jakub Šejna, Ing. Lukáš Velebil, Ph.D.
Fakulta stavební ČVUT, Praha
Kontakty: jakub.sejna@fsv.cvut.cz, lukas.velebil@cvut.cz
Související články:
