Občas je nutné v rámci stavebního řízení provést posouzení požární odolnosti stavebních konstrukcí nebo výrobků. Nejbezpečnější je samozřejmě, aby tento návrh provedl příslušný specialista – statik. V případech, kdy to například z časových důvodů není možné, může stavební projektant nebo architekt pro potřeby stavebního řízení použít orientační tabulkové hodnoty (v případě stavebních konstrukcí) nebo údaje výrobců (v případě stavebních výrobků) a pro projekt provedení stavby následně zajistit posouzení statikem.
Jak již bylo naznačeno v úvodu, v rámci pozemních staveb se setkáváme se stavebními výrobky a stavebními konstrukcemi. Stavební výrobky jsou dodávány výrobcem jako celek, který se zabuduje do stavby a jako takový má výrobcem udávány a garantovány své vlastnosti, mezi něž patří i požární odolnost. V případě stavebních konstrukcí se již musí postupovat podle platných norem pro stanovení požární odolnosti a příslušnou požární odolnost určit výpočtem, případně pro potřeby předběžného návrhu použít například tabulkové hodnoty uvedené v literatuře, jak bude uvedeno dále v článku.
Článek se nebude záměrně věnovat postupu posouzení požární odolnosti dle příslušných norem ani dalším specifikům protipožárního návrhu stavebních konstrukcí, neboť to není jeho cílem a ani to neumožňuje omezený rozsah článku.
Při hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí rozlišujeme následující mezní stavy požární odolnosti nosných a požárně dělicích konstrukcí v minutách:
R – nosnost konstrukce
E – celistvost konstrukce
I – tepelná izolace konstrukce
W – hustota tepelného toku či radiace z povrchu konstrukce
S – kouřotěsnost konstrukce
C – samouzavírací zařízení požárních uzávěrů
M – mechanická odolnost
V článku se často odkazuji a cituji knihu [7], která uvádí tabulkové hodnoty požární odolnosti vybraných typů konstrukcí. Tyto hodnoty byly stanoveny podle norem řady ČSN EN (Eurokódů) a jsou tudíž plně akceptovatelné v projektové dokumentaci pro stavební řízení. Uvedené hodnoty jsou konzervativní, tj. na straně bezpečnosti a přesnější hodnoty je možné stanovit přímým výpočtem podle příslušných norem [1] až [6] anebo požární zkouškou v certifikované zkušebně. V uvedených tabulkách nelze interpolovat, ale je možné použít dimenzi stanovenou pro vyšší požární odolnost.
1. Ochrana stavebních konstrukcí protipožárními vrstvami
Stavební konstrukce mohou být účinkům požáru vystaveny přímo nebo mohou být zakryty dalšími vrstvami. Těmito vrstvami máme na mysli omítky, obklady, impregnační látky, nátěry nebo nástřiky. Pokud jsou stavební konstrukce zakryty vrstvami, které je chrání před účinky požáru, požární odolnost těchto ochranných vrstev uvádí výrobce a není nic jednoduššího než se na něj s tímto požadavkem obrátit nebo potřebné hodnoty vyhledat v technických (projekčních) podkladech.
2. Stavební konstrukce vystavené přímým účinkům požáru
2.1. Dřevěné konstrukce
Je-li dřevěná konstrukce vystavena účinkům požáru, se vzrůstající teplotou dochází nejprve k úniku chemicky vázané vody, následovanému termickou degradací dřevní hmoty. Se vzrůstající teplotou dojde na povrchu dřevěných prvků k vytvoření zuhelnatělé vrstvy dřeva, která není staticky účinná, ale má tepelněizolační vlastnosti a chrání hmotu dřeva pod touto vrstvou před účinky požáru.
V případě dřevěných konstrukcí běžných pozemních staveb menšího a středního rozsahu bude na požární odolnost nutno posoudit nejčastěji nosníky vystavené účinkům požáru ze tří stran a sloupy délky do 3,0 m vystavené účinkům požáru ze čtyř stran s uvažováním jehličnatých dřevin (nejčastěji smrk, borovice nebo jedle). Pro tyto případy jsou dále uvedeny příslušné tabulky. Pro ostatní případy naleznete tabulky v knize [7].
Příklad: Dřevěný nosník z jehličnatého dřeva výšky průřezu 200 mm a šířky průřezu 140 mm vystavený účinkům požáru ze tří stran má orientačně požární odolnost R 30 minut – viz tab. 1.
Příklad: Dřevěný sloup z jehličnatého dřeva výšky průřezu 140 mm a šířky průřezu 140 mm a délky 3,0 m vystavený účinkům požáru ze čtyř stran má orientačně požární odolnost R 15 minut – viz tab. 2.
2.2. Ocelové konstrukce
U ocelových konstrukcí dochází se vzrůstající teplotou k nevratné změně struktury materiálu (dochází ke změně struktury krystalové mřížky). S rostoucí teplotou u oceli klesá pevnost a tažnost a narůstá tvárnost. Po dosažení tzv. kritické teploty dochází ke zhroucení ocelového prvku. Hliníkové konstrukce se při požáru chovají obdobně jako ocelové konstrukce.
V případě ocelových konstrukcí je předběžný návrh komplikovanější než v případě dřevěných konstrukcí. Nejprve si musíme spočítat tzv. součinitel průřezu, který určíme jako podíl plochy prvku na jednotku délky Am a objemu prvku na jednotku délky V – potřebujeme tedy znát plochu průřezu a obvod průřezu.
Z tabulky č. 3 je patrné, že s rostoucí velikostí průřezu pro daný typ hodnota součinitele průřezu klesá.
Pokud známe součinitel průřezu, je potřeba určit míru využití průřezu. V případě, že máte k dispozici podrobné statické posouzení, tento údaj z něj vyčtete. Pokud podrobné statické posouzení nemáte, můžete si míru využití průřezu pro jednoduché případy namáhání spočítat sami. Například zjednodušeně (bez uvažování vlivu vzpěru a bočního zatížení) pro sloup průřezu HEB 140 z oceli třídy pevnosti S235 dle [3] zatížený dostřednou silou Nd = 145,6 kN platí:
kde:
Nc,Rd je návrhová únosnost průřezu v prostém tlaku
A je plocha průřezu
fy je mez kluzu oceli
γM0 je součinitel spolehlivosti materiálu
NEd je návrhová hodnota tlakové síly
μ0 je stupeň využití průřezu
Podíl NEd /Nc,Rd je menší nebo rovno 1, tedy je splněna podmínka mezního stavu únosnosti (mezní stav použitelnosti bychom měli samozřejmě posoudit také, ale pro potřeby předběžného návrhu budeme předpokládat, že je vyhovující také) a můžeme hodnotu 0,14 převzít do dalšího výpočtu jako stupeň využití průřezu μ0 (0,14 · 100 = využití průřezu 14%).
Po zjištění stupně využití průřezu a součinitele průřezu můžeme pro požární odolnost ocelových nechráněných sloupů a nosníků použít následující tabulku č. 4 a vyhledat v ní hodnotu orientační požární odolnosti – viz tab. 4.
V našem příkladu stupni využití průřezu 0,14 odpovídá nejbližší vyšší hodnota 0,18, poté ve sloupci nalezneme nejbližší vyšší hodnotu součinitele průřezu 200, tedy orientační požární odolnost R pro námi posuzovaný sloup je 19 minut.
V prvním sloupci předchozí tabulky je pro jednotlivé stupně využití průřezu uvedena i kritická teplota oceli. Při bližším pohledu je z tabulky patrné, že požární odolnost klesá s rostoucím stupněm využití a s rostoucím součinitelem průřezu (s klesající velikostí průřezu).
2.3. Betonové konstrukce
Je-li vysokým teplotám, které vznikají při požáru, vystavena betonová konstrukce, dochází v první fázi k odpařování fyzikálně vázané vody a vlhkosti ve struktuře materiálu. V další fázi vlivem nárůstu teploty dochází k odprýsknutí povrchových vrstev betonu, dochází k uvolňování chemicky vázané vody, bývá obnažena betonářská výztuž, u níž v důsledku vysokých teplot dochází k přeměně krystalové struktury. Během požáru klesá pevnost betonové konstrukce jako celku, až do okamžiku jejího zhroucení.
Podobně jako u dřevěných konstrukcí lze si rovněž i u betonových konstrukcí pro předběžné orientační posouzení požární odolnosti vystačit s prostým vyhledáváním v tabulkách. Jako příklad uvádím tabulku č. 5 s požární odolností pro železobetonové sloupy – viz tab. 5.
Například sloup o průměru maximálně 250 mm vystavený účinkům požáru ze všech stran má orientační požární odolnost 60 minut, pokud má jeho svislá výztuž osovou vzdálenost od vnějšího povrchu alespoň 46 mm.
2.4. Spřažené konstrukce
Spřažené konstrukce v sobě kombinují nejčastěji dva typy konstrukcí, a to „dřevo + ocel“ nebo „beton + ocel“, a tudíž se spřažené konstrukce za požáru chovají stejně jako materiály, z nichž jsou tvořeny se zřetelem na specifika plynoucí z konstrukčního řešení spřažené konstrukce.
Spřažené sloupy a nosníky nejsou v běžných pozemních stavbách tak typickou konstrukcí, proto v tomto článku nebudou blíže rozebírány.
2.5. Zděné konstrukce
Zděné konstrukce z pálených prvků obecně vykazují velmi vysoké požární odolnosti, a to z důvodu použitých hmot, které se samy vyrábějí za vysokých teplot.
Vedle materiálu zdicích prvků zděných konstrukcí je pro požární odolnost nutno zdicí prvky zatřídit podle objemu všech otvorů (v % objemu zdícího prvku). Rozlišujeme celkem 4 skupiny, viz následující tabulka č. 6, přičemž se pro potřeby normy [6] zavádí ještě pátá skupina zdicích prvků ozn. 1S, do které jsou zařazeny zdicí prvky obsahující méně než 5 % objemu dutin – viz tab. 6.
Posledními dvěma údaji potřebnými pro stanovení požární odolnosti zděné konstrukce je to, zda posuzovaná zděná konstrukce je nosná (plní nosnou funkci), nebo je nenosná (plní dělicí funkci) a zda posuzovaná zděná konstrukce plní funkci požárně dělicí stěny, tedy zda ohraničuje požární úsek nebo nikoliv.
Následují příklady tabulkových hodnot pro předběžné orientační posouzení požární odolnosti zděných konstrukcí – viz tab. 7, 8, 9.
Například pro splnění kritéria R 60 minut v případě zdiva z vápenopískových zdicích prvků se svislými otvory o objemu 40 % zdicího prvku a objemové hmotnosti 1200 kg/m3 musíme navrhnout zdivo tloušťky 100 mm bez ohledu na to, jestli bude omítnuté či nikoliv.
Závěr
V tomto článku jsem se snažil nastínit stavebním projektantům a architektům, jak postupovat při předběžném posouzení požární odolnosti stavebních konstrukcí v tom krajním případě, kdy není z nějakého důvodu možno nechat provést toto posouzení specialistou – statikem. Z důvodu omezeného rozsahu textu jsem byl nucen přistoupit ke značnému zjednodušení celé problematiky, přesto však věřím, že bude článek dostatečně srozumitelný.
VOJTĚCH ŠTRBA
Ing. Vojtěch Štrba (*1978)
Absolvoval Stavební fakultu VUT v Brně a je autorizovaným inženýrem pro statiku a dynamiku staveb. Do roku 2012 pracoval jako statik v několika projekčních kancelářích. Od roku 2012 provozuje vlastní projekční kancelář.
Podklady a literatura:
[1] ČSN EN 1991-1-2: Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru
[2] ČSN EN 1992-1-2: Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
[3] ČSN EN 1993-1-2: Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
[4] ČSN EN 1995-1-2: Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
[5] ČSN EN 1999-1-2: Eurokód 9: Navrhování hliníkových konstrukcí – Část 1-2: Navrhování konstrukcí na účinky požáru
[6] ČSN EN 1996-1-2: Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
[7] Zoufal R. a kolektiv: Hodnoty požární odolnosti stavebních konstrukcí podle Eurokódů, PAVUS, a.s., Praha 2009, ISBN 978-80-904481-0-0
[8] ČSN EN 1993-1-1: Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby
[9] ČSN EN 1996-1-1: Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce
