Slovenčina
V posledních letech se v architektonické a stavební komunitě rozmohl intenzivní zájem o udržitelnost konstrukcí s důrazem na vliv těchto konstrukcí na životní prostředí. Otázkou často ale zůstává, jak se nově navrhované udržitelné konstrukce budou chovat při požáru a jak s nimi po požáru dále nakládat. Jedním z materiálů, který v této diskusi je čím dál více zmiňován, je dřevo. Pro svou obnovitelnost a schopnost vázat během růstu uhlík se dřevo jeví jako významný materiál v ekologicky udržitelné architektuře. Dřevo při porovnání s tradičními stavebními materiály, jako je ocel nebo beton, vyniká lepším poměrem vazby CO2, což snižuje celkovou uhlíkovou stopu (při zohlednění ocelových konstrukcí je nutné vzít do úvahu recyklovatelnost ocele).
Přestože je dřevo obnovitelným materiálem s mnoha výhodami, v oblasti požární bezpečnosti představuje určité výzvy. Lze zmínit trend směrem k dřevěným konstrukcím pro rodinné domy i pro výškové budovy. Současně s těmito trendy se vynořují otázky týkající se požární bezpečnosti.
V České republice, stejně jako v mnoha jiných zemích, existují normy pro požární bezpečnost, které omezují maximální výšku dřevostaveb. Tento fakt omezuje využití dřeva ve výškových budovách, což je v kontrastu s praxí v zemích jako Norsko nebo Rakousko, kde jsou postaveny mnohem vyšší „dřevěné“ stavby.
85,4 metrů vysoká Mjøstårnet v norském městě Brumunddal. Foto: archiv DM
V případech jako Mjøstårnet v Norsku nebo HoHo Wien v Rakousku byl pro návrh budovy použitý tzv. inženýrský přístup, který se zaměřuje například na detailnější pochopení chování dřevěných konstrukcí při požáru vytvořením pokročilých numerických modelů. Pro představu, numerické modely v tomto případě lze využít pro zkoumaní chováni dřevěné konstrukce, ověření množství uvolněného kouře ohrožující unikající osoby nebo na vytipování detailu dřevěného spoje, který by bylo vhodné podrobit požárnímu experimentu.
84 metrů vysoká 24 podlažní třídílná věž HoHo ve Vídni. Foto: archiv DM
V rámci diskuse o materiálech a technikách pro zlepšení požární bezpečnosti dřevostaveb je důležité zmínit, že vysoké dřevěné konstrukce obvykle kombinují dřevo s dalšími materiály a technologiemi. Přístupy, jako jsou impregnace dřeva, použití požárně odolných materiálů a návrh stavby s ohledem na požární rizika, jsou klíčové pro zajištění bezpečnosti těchto konstrukcí.
Dále je vhodné zaměřit se na porovnání chování dřevěných konstrukcí s ocelovými a betonovými konstrukcemi v kontextu požární bezpečnosti. Každý z těchto materiálů má své specifické výhody a nevýhody, které je třeba zvážit při návrhu bezpečných a udržitelných stavebních projektů.
V tomto článku se budeme zabývat již výše nastíněnými oblastmi dřevostaveb s ohledem na udržitelnost i požární bezpečnost. Dřevo jako stavební materiál nabízí mnoho výhod z hlediska udržitelnosti a estetiky, ale je třeba pečlivě přistupovat k jeho navrhování ve stavbách.
Požární odolnost dřevěných konstrukcí ve srovnání s betonovými či ocelovými
Když vypukne požár v budově, konstrukce musí čelit nejen vysokým teplotám, ale také dalším náročným podmínkám. Dřevostavby v tomto kontextu přinášejí jedinečné výzvy. Ačkoliv betonové a ocelové konstrukce mohou být teoreticky odolnější během požáru a nepřispívají k jeho rozvoji nebo produkci kouře, dřevo může dosahovat srovnatelné požární odolnosti až do 60 minut. Je však důležité si uvědomit, že hlavním cílem požární bezpečnosti staveb je chránit životy lidí a zvířat, minimalizovat škody na majetku, zabránit šíření požáru na okolní objekty, a zároveň umožnit bezpečný a rychlý zásah hasičů.
Srovnávat dřevo s betonem a ocelí z hlediska požární odolnosti 180 minut není realistické. Nicméně konstrukce, které splňují požadavky IV. stupně požární bezpečnosti, zohledňující například využití prostorů, požární zatížení nebo výšku objektu, mohou být použity pro stavby do výšky 30 metrů při zanedbání typu konstrukčního systému.
Je důležité si uvědomit, že samotná konstrukce nemá přímý vliv na vznik požáru; konstrukce sama o sobě nezačne hořet. Mezi příčiny požárů lze zmínit například technickou závadu nebo nedbalost člověka. Tato skutečnost vyvolává otázku, zda bychom se neměli více soustředit na prevenci požárů a v případě dřevěných konstrukcí navrhovat bezpečnější řešení, například s přísnějšími kritérii pro evakuaci osob nebo složitějšími podmínkami pro požární zásah.
V současné normě jsou dřevostavby, respektive stavby s hořlavým konstrukčním systémem, povoleny do požární výšky 12 m, přičemž v případě, že není v objektu navržena chráněná úniková cesta, je limit snížen na 9 m. To omezuje použití dřeva ve výškových budovách, ale zároveň otevírá prostor pro inovace a bezpečnější návrhové techniky, které by umožnily širší využití dřeva v moderním stavitelství, přičemž by byla zachována požární bezpečnost.
K tomuto lze využít inženýrský přístup, který je definovaný zákonem. V rámci požárně inženýrského přístupu je umožněno se odchýlit od normového postupu a použít například zahraniční standardy nebo nové vědecké poznatky z hlediska chování staveb.
Zároveň nesmí být stavba jako celek podhodnocena. Samozřejmě se v tomto případě jedná o velmi náročnou a precizní disciplínu, která je náročná nejen na čas a zkušenosti inženýra, ale také na cenu finálního projektu stavby. Každopádně se jedná o stav, kdy se posuzuje specifická oblast, která je obtížně přenositelná mezi stavbami.
Detail dřevěného podhledu po požární zkoušce. Licence: Všechna práva vyhrazena. Další šíření je možné jen se souhlasem autora. Foto: Jiří Ryzsawy / ČVUT Praha
Než se ponoříme do tématu návrhu dřevostaveb vyšších než obvyklých 12 metrů, pojďme se zamyslet nad výzvami, kterým čelí ocelové, betonové a dřevěné konstrukce. Pro tento příklad uvažujme o stavbě vysoké 18 metrů, spadající do IV. stupně požární bezpečnosti s požadovanou požární odolností 60 minut. Při tomto srovnání se může zdát, že ocelová konstrukce je nejméně vhodná, především pokud není chráněna. Nechráněná ocel často nevykazuje požadovanou požární odolnost. To může být obzvláště rizikové pro bezpečnost osob opouštějících budovu v případě požáru.
Ochrana ocelových konstrukcí ale není složitá – lze je efektivně chránit pasivně pomocí požárních nástřiků či nátěrů, nebo aktivně pomocí hasicích systémů. I když může být instalace aktivního hasicího systému nákladná, vzhledem k bezpečnosti a výsledné výši pojistného se jeví jako výhodná.
Zajímavý je také pohled na ocelové konstrukce po požáru. Mnozí si dokážou představit, jak vypadá ocelová skladovací hala po rozsáhlém požáru, kdy teploty dosahují extrémních hodnot a hašení může trvat i několik dní. Co se ale stane s touto konstrukcí po požáru, když vykazuje výrazné deformace nebo dokonce dojde k jejímu kolapsu? Odpověď je poměrně jednoduchá – ocel je snadno recyklovatelná, což z ní činí z hlediska udržitelnosti materiálů velmi přijatelnou volbu. Navíc jsou ocelové konstrukce lehké, vzdušné a rychlé na výstavbu, což představuje další významnou výhodu.
Při pohledu na betonovou konstrukci si lze představit její schopnost odolávat požárům po dlouhou dobu. Pokud je betonová konstrukce správně navržena a nevykazuje žádné známky poškození, jako je například odpadnutí krycí vrstvy ocelové výztuže, může být velmi odolná vůči požáru. V mnoha případech může oprava betonové konstrukce po požáru znamenat pouze její vyčištění a obnovu omítek.
Avšak, co se stane, pokud je poškození betonové konstrukce příliš rozsáhlé a statik rozhodne, že musí být odstraněna? V takovém případě se recyklace starého betonu stává náročným úkolem. Současný výzkum zkoumá možnosti, jak recyklovat starý beton, například jeho využití jako plniva do nového betonu. Tento recyklovaný beton sice nemusí mít stejnou pevnost jako nový, ale lze ho efektivně použít v méně náročných aplikacích, jako jsou například betonové propustky v silničních stavbách. Přesto v mnoha případech končí poškozený beton na skládkách, což není ideální z hlediska udržitelnosti materiálů.
Je také důležité zmínit, že existují metody pro opravu a zesílení poškozených betonových konstrukcí. Tyto techniky umožňují prodloužit životnost betonových konstrukcí a přispívají k udržitelnosti stavebních materiálů. Navíc, pro některé stavby, zejména ty s vysokým požárním zatížením nebo zvláštními bezpečnostními požadavky, bude beton vždy nutnou variantou z důvodu jeho vlastností a odolnosti.
Jedním z fascinujících aspektů dřevěných konstrukcí je jejich chování v průběhu požáru a po něm. Ve srovnání s ostatními materiály mohou dřevěné konstrukce vykazovat dobrou požární odolnost, a to díky procesu vytváření zuhelnatělé vrstvy na povrchu hořícího dřeva. Tato vrstva je v podstatě dále již nehořlavou vrstvou fungující jako ochranná bariéra, která zpomaluje prostup tepla a brání dalšímu hoření dřeva. Zuhelnatělá vrstva však není schopna hoření zcela zastavit, a navíc je velmi křehká. Při mechanickém namáhání může praskat a odpadávat, což odhaluje nezasažené dřevo a umožňuje tak znovu rozšíření požáru či rozhoření dřeva.
Z pohledu statiky představuje dřevo při požáru materiál s několika zajímavými vlastnostmi. Přestože celková pevnost dřeva může být požárem ovlivněna, dřevo má schopnost postupně odhořívat a tím měnit své vlastnosti pomalu. Zuhelnatělá vrstva pomáhá zpomalovat přenos tepla do konstrukce. Tato zuhelnatělá vrstva vzniká při teplotách dřeva okolo 300 °C. Pod zuhelnatělou vrstvou se nachází vrstva pyrolýzy, což je proces tepelného rozkladu dřeva. V této oblasti je pevnost dřeva snížená. Výzkumy ukazují, že tloušťka vrstvy pyrolýzy se pohybuje v rozmezí 5 až 8 mm. Pod touto vrstvou zůstává teplota ve dřevě maximálně 120 °C, což je způsobeno tím, že pro zahájení pyrolýzy musí být nejprve z dřeva odpařena voda – znázorněno na obrázku.
Zaznačená hranice vrstvy zuhelnatění a pyrolýzy. Zdroj: ŠEJNA, Jakub a BLESÁK, Lukáš. Požární odolnost dřevěných konstrukcí. Praha: Česká technika – nakladatelství ČVUT, 2022. ISBN 978-80-01-07012-3
Zajímavé je, že dřevo, které ztratí svou vlhkost, se může zdát pevnější. Avšak s tímto tvrzením je nutné zacházet opatrně, jelikož proces odhořívání a pyrolýzy snižuje celkovou pevnost dřeva. Přesto, i když dřevo hoří, stále může zůstat dostatečně masivní část, která není teplotně degradovaná a zachovává si své původní vlastnosti.
Například, pokud by odhořelo z každé strany původního dřevěného sloupu o čtvercovém průřezu 200 mm přibližně 24 mm a přidali bychom 7 mm pro vrstvu pyrolýzy (jak předpokládá norma), stále by zůstal účinný průřez sloupu o šířce 138 mm. Tento sloup by mohl být i po 30 minutách požáru stále dostatečně únosný na to, aby přenesl působící mechanické zatížení.
Při srovnání dřevěných konstrukcí po požáru s ostatními typy konstrukcí se nabízí zajímavé úvahy o jejich opravitelnosti. Můžeme se například zamyslet nad situací, kdy je potřeba ohořelý dřevěný sloup obnovit do jeho původních rozměrů. Jednou z možností je vyměnit celý sloup, což by mohlo být jednodušší řešení ve srovnání s betonovou variantou.
Alternativně by se také mohlo uvažovat o opravě zesílením průřezu, a to například dřevěnými příložkami. V tomto případě by se zajištění přenosu zatížení mohlo řešit pomocí správného mechanického spojení mezi stávajícím a novým dřevem. Samozřejmě, v takovém případě by bylo nutné odstranit původní zuhelnatělou vrstvu a provést celkové ošetření ohořelého sloupu.
Ve druhé části našeho článku, kterou přineseme v příštím vydání Dřevařského magazínu, představíme možnosti využití dřeva ve výstavbě velkých a výškových staveb, zamyšlení se ohledně požárně inženýrského přístupu, výzvy v oblasti výzkumu dřevěných nebo hybridních konstrukcí, a co lze ještě zkoumat v oblasti hoření dřeva.
Převzato z portálu ekolist.cz se souhlasem redakce.
Autori: Ing. Jakub Šejna, Ing. Lukáš Velebil, Ph.D.
Fakulta stavební ČVUT, Praha
Kontakty: jakub.sejna@fsv.cvut.cz, lukas.velebil@cvut.cz
