10.1 Úvod Návrhové hodnoty vlastností materiálu. 10 Dřevo a jeho chování při požáru. Petr Kuklík

Transkript

1 Úvod Obecná představa o chování dřeva při požáru bývá často zkreslená. Dřevo lze zapálit, může vyživovat oheň a dále ho šířit pomocí prchavých plynů, vznikajících při vysoké teplotě. Proces zuhelnatění dřeva je ale dobře předvídatelný a šíření plamene lze omezit impregnací nebo povrchovou úpravou. U průřezů s nejmenším rozměrem 5 mm povrch dřeva vystavený požáru zuhelnatí a odhořívá stálou rychlostí. Uvnitř průřezu zůstávají mechanické vlastnosti dřeva bez podstatných změn a požární odolnost konstrukčního prvku lze určit na základě zbytkového průřezu. Přitom platí, že velké průřezy z lepeného lamelového dřeva se při požáru chovají příznivě, zatímco menší průřezy, např. prvky příhradových vazníků, je třeba přiměřeně chránit. Chování prvků ze dřeva a materiálů na bázi dřeva při požáru lze podrobněji popsat následovně. Odlišuje se chování při rozhořívání a při plně rozvinutém požáru. Při rozhořívání se uplatní hořlavost materiálu, stupeň jeho zápalnosti, rychlost šíření ohně/plamene na jeho povrchu a míra předávání tepla. Plně rozvinutý požár představuje ázi po vzplanutí, kdy jsou všechny hořlavé materiály zachváceny ohněm. Požadavky na materiály během této áze jsou zaměřeny na jejich schopnost zachovat si své mechanické vlastnosti a omezovat oheň na oblast jeho vzniku, aby nedocházelo k šíření ohně nebo kouře a působení příliš vysokých teplot na straně odvrácené ohni, které by mohly vést k nepřímému přenosu požáru na sousední části konstrukce. Schopnost odolávat plnému požáru je obecně označována jako požární odolnost. Tato schopnost může být přiřazena konstrukčnímu prvku a nikoliv pouze materiálu. Požaduje-li se u konstrukcí požární odolnost z hlediska stavební mechaniky, musí být konstrukce navrženy a provedeny takovým způsobem, aby si zachovaly svou nosnou unkci během příslušného požárního namáhání, tj. musí být splněno kritérium únosnosti R. Požadavky na přetvoření se uplatňují pouze tam, kde technické podmínky pro požárně dělicí prvky nebo pro ochranné prostředky vyžadují uvážit přetvoření nosné konstrukce. Při rozdělení objektu dřevěnou konstrukcí na požární úseky musí být odpovídající prvky navrženy a provedeny takovým způsobem, aby si zachovaly svou požárně dělicí unkci během příslušného požárního namáhání: a) Nesmí dojít k porušení celistvosti následkem trhlin, děr nebo jiných otvorů, dostatečně velkých na to, aby způsobily pronikání požáru prostřednictvím horkých plynů nebo plamenů (kritérium celistvosti E). B) Nesmí dojít k porušení izolace následkem teplot ohni nevystaveného povrchu, přesahujících přípustné meze (kritérium tepelné izolace Ι). c) Přípustný vzestup průměrných teplot ohni nevystaveného povrchu je omezen na 140 K a maximální vzestup teploty v kterémkoliv bodě je omezen na 180 K. Prvky musí vyhovovat kritériím R, E a Ι. Rozlišují se prvky s unkcí pouze požárně dělicí (splňující E a Ι), pouze nosnou (splňující R) a požárně dělicí a nosnou (splňující R, E a Ι) Návrhové hodnoty vlastností materiálu Pro ověření mechanické odolnosti prvků vystavených účinkům požáru se návrhové hodnoty pevnostních a tuhostních vlastností určí ze vztahů: 20 d,i = k mod,i γ M,i (10.1) S 20 S d, i = k mod,i γ M,i (10.2) kde d,i je návrhová pevnost při požáru, S d,i je návrhová tuhostní vlastnost (modul pružnosti E d,i nebo modul pružnosti ve smyku G d,i ) při požáru, 20 je 20% kvantil pevnostní vlastnosti při běžné Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 1 -

2 teplotě, S 20 je 20% kvantil tuhostní vlastnosti (modul pružnosti nebo modul pružnosti ve smyku) při běžné teplotě, k mod,i je modiikační součinitel pro požár, γ M,i je dílčí součinitel spolehlivosti při požáru. Modiikační součinitel pro požár k mod,i zohledňuje redukci pevnostních a tuhostních vlastností při zvýšených teplotách a nahrazuje modiikační součinitel pro navrhování při běžné teplotě k mod. Doporučený dílčí součinitel spolehlivosti vlastnosti materiálu při požáru je γ M,i = 1,0. 20% kvantil pevnostní nebo tuhostní vlastnosti se určí takto: = k 20 i k (10.) S20 = ki S05 (10.4) kde 20 je 20% kvantil pevnostní vlastnosti při běžné teplotě, S 20 je 20% kvantil tuhostní vlastnosti (modul pružnosti nebo modul pružnosti ve smyku) při běžné teplotě, S 05 je 5% kvantil tuhostní vlastnosti (modul pružnosti nebo modul pružnosti ve smyku) při běžné teplotě, k i je uveden v tab Tab Hodnoty k i k i Rostlé dřevo 1,25 Lepené lamelové dřevo 1,15 Desky na bázi dřeva 1,15 LVL 1,1 Spoje se spojovacími prostředky ve střihu 1,15 s bočními prvky ze dřeva a desek na bázi dřeva Spoje se spojovacími prostředky ve střihu 1,05 s bočními prvky z oceli Spoje s osově zatíženými spojovacími prostředky 1, Návrhové hodnoty účinku zatížení Účinek zatížení se určí pro čas t=0 při použití kombinačních součinitelů ψ 1,1 nebo ψ 2,1 podle EN :2002, článek Zjednodušeně může být účinek zatížení E d,i stanoven z analýzy pro běžnou teplotu takto: E = η E (10.5) d,i i d kde E d je návrhový účinek zatížení při navrhování na běžnou teplotu pro základní kombinaci zatížení, viz EN 1990; η i je redukční součinitel pro návrhové zatížení při požární situaci. Redukční součinitel η i pro kombinaci zatížení (6.10) v EN 1990:2002 se má uvažovat takto: Gk + ψ i Qk,1 ηi = (10.6) γ G + γ Q G k Q,1 k,1 nebo, pro kombinace zatížení (6.10a) a (6.10b) v EN 1990:2002, jako nejmenší hodnota získaná z následujících dvou vztahů: Gk + ψ i Qk,1 ηi = (10.7a) γ G + γ Q G k Q,1 k,1 G + ψ Q ηi = ξ γ G + γ k i k,1 Q G k Q,1 k,1 (10.7b) kde Q k,1 je charakteristická hodnota hlavního proměnného zatížení, G k je charakteristická hodnota stálého zatížení, γ G je dílčí součinitel pro stálá zatížení, γ Q,1 je dílčí součinitel pro proměnné zatížení 1, ψ i je součinitel pro časté hodnoty proměnných zatížení při požární situaci, dané buď ψ 1,1 nebo ψ 2,1 - viz EN :2002, ξ je redukční součinitel nepříznivých stálých zatížení G. Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 2 -

3 Příklad průběhu redukčního součinitele η i v závislosti na poměru zatížení Q k,1 /G k pro různé hodnoty součinitele kombinace ψ i podle vztahu (10.6) je zobrazen na obr s následujícími předpoklady: γ GA = 1,0, γ G = 1,5 a γ Q = 1,5. Dílčí součinitele jsou uvedeny v příslušných národních přílohách EN 1990:2002. Vztahy (10.7a) a (10.7b) dávají trochu vyšší hodnoty. Obr Příklady redukčního součinitele η i v závislosti na poměru zatížení Q k,1 /G k podle vztahu (10.6) Jako zjednodušení je doporučena hodnota η i = 0,6 mimo užitná zatížení kategorie E, uvedená v EN :2002 (prostory citlivé na hromadění zboží včetně přístupových prostor), kde je doporučena hodnota η i = 0,7. Okrajové podmínky v podpěrách mohou být uvažovány neměnné v čase Hloubky zuhelnatění Odolnost prvků ze dřeva a materiálů na bázi dřeva proti účinkům požáru charakterizují především jejich hloubky zuhelnatění. Hloubka zuhelnatění je vzdálenost mezi vnějším povrchem původního prvku a polohou čáry zuhelnatění a určuje se z doby vystavení účinkům požáru a příslušné rychlosti zuhelnatění. K zuhelnatění prvků ze dřeva a desek na bázi dřeva dochází především v případě, že jsou přímo vystaveny požáru. Posouzení průřezů na účinky požáru má vycházet z aktuální hloubky jejich zuhelnatění včetně zaoblení rohů. Alternativně může být stanoven nominální průřez bez zaoblení rohů, založený na nominální hloubce zuhelnatění. Poloha čáry zuhelnatění odpovídá poloze izoterm 00 C. Tento předpoklad platí pro většinu dřeva jehličnatých a listnatých dřevin. Rychlosti zuhelnatění jsou běžně rozdílné pro: - povrchy nechráněné během doby vystavení účinkům požáru; - povrchy chráněné u kterých k zuhelnatění dochází ještě před porušením pláště požární ochrany; - povrchy chráněné, které jsou vystaveny účinkům požáru až po porušení pláště požární ochrany. Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - -

4 Pravidla uvedená v následujícím textu platí pro normové vystavení účinkům požáru, dané nominální normovou teplotní křivkou závislosti teplota čas při požáru, která odpovídá zejména celulózovému typu požárního zatížení (hoří dřevo, papír a látky). Proces hoření dřeva vypadá následovně. Při hoření dřeva a materiálů na bázi dřeva probíhá chemický rozklad, při němž se vytváří dřevěné uhlí a hořlavé plyny. K samovznícení tenkého proužku dřeva dochází při teplotě mezi 40 až 40 C. Zápalná teplota může být i výrazně nižší (např. 150 C), byl-li dřevěný prvek již delší dobu ohříván. Teploty menší než 100 C, ale vyšší než pokojová teplota, přivádějí do dřeva teplo a urychlují jeho vysoušení. Při 100 C se voda ve dřevu začíná odpařovat a pára uniká cestou nejmenšího odporu, tj. v rozích, hranami, spoji, otevřenými póry a trhlinami. V těchto místech dřevo vysychá rychleji. Teplota zůstává konstantní až do doby než se voda odpaří. V rozmezí 150 až 200 C se tvoří povrchové plyny (asi 70 % nehořlavého CO 2 a 0 % hořlavého CO). Do 275 C probíhá tepelný rozklad dřeva (pyrolýza) poměrně pomalu a výhřevnost plynů přitom je jen asi kj m - hmoty. Teprve při zvýšení teploty nad 275 C nastávají již silně exotermické reakce a stoupá rychle teplota tvorbou lehko zápalné směsi uhlovodíků o výhřevnosti 8 74 kj m - i více. Nejvíce hořlavé směsi vzniká při teplotách mezi 400 až 420 C a její výhřevnost se zvyšuje až na kj m -. Při teplotách nad 500 C se tvoření plynů opět snižuje. Po prvém vznícení a hoření zápalné směsi plynů však hoření pokračuje dále, podporováno vyvíjejícím se teplem, které rozkládá i hlubší vrstvy dřeva na spalitelné produkty. Na druhé straně se na povrchu vytváří vrstva nespáleného uhlíku, který je špatným vodičem tepla a zamezuje přístupu tepla k vnitřním nerozloženým vrstvám, tím znemožňuje přívod dalších spalitelných plynů na povrch, a v tomto stádiu může u rozměrnějších průřezů prvků oheň i ustat, nedojde-li k popraskání a oprýskání této vrstvy. Tepelná vodivost zuhelnatělé vrstvy (dřevěného uhlí) je pouze asi jedna šestina tepelné vodivosti rostlého dřeva. Vrstva dřevěného uhlí působí jako izolační vrstva a rozklad dřeva pod ní probíhá zpomaleně. Z tohoto důvodu a vzhledem k nízké tepelné vodivosti dřeva zůstává teplota uprostřed průřezu mnohem nižší než na povrchu. Požární odolnost dřevěných konstrukcí je proto podstatně vyšší, než se všeobecně předpokládá Povrchy nechráněné Rozlišují se dvě hodnoty rychlosti zuhelnatění: - jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění; - nominální návrhová rychlost zuhelnatění. Jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění platí pro jednorozměrné zuhelnatění, viz obr. 10.2, a uvažuje se konstantní v čase. Obr Jednorozměrné zuhelnatění širokého průřezu (vystaveného účinkům požáru z jedné strany) Návrhová hloubka zuhelnatění pro jednorozměrné zuhelnatění se určí takto: d char,0 = β 0 t (10.8) kde d char,0 je návrhová hloubka zuhelnatění pro jednorozměrné zuhelnatění, β 0 je jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění, t je doba vystavení účinkům požáru. Nominální návrhová rychlost zuhelnatění, jejíž hodnota již zahrnuje účinek zaoblení rohů, viz obr. 10., se též uvažuje konstantní v čase. Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 4 -

5 Obr. 10. Hloubka zuhelnatění d char,0 pro jednorozměrné zuhelnatění a nominální hloubka zuhelnatění d char,n Nominální návrhová hloubka zuhelnatění se určí takto: d char,n = β n t (10.9) kde d char,n je nominální návrhová hloubka zuhelnatění, která zahrnuje účinek zaoblení rohů, β n je nominální návrhová rychlost zuhelnatění, která zahrnuje účinek zaoblení rohů. Jednorozměrná návrhová rychlost zuhelnatění se používá za předpokladu, že je uváženo zvětšené zuhelnatění blízko rohů a jedná se o průřezy s původní minimální šířkou b min, kde b = 2 d + 80 pro d 1 mm (10.10a) min char,0 char,0 b = 8,15 d pro d < 1 mm (10.10b) min char,0 char,0 Když nejmenší šířka průřezu je menší než b min, používá se nominální návrhová rychlost zuhelnatění. Pro průřezy počítané s použitím jednorozměrných návrhových rychlostí zuhelnatění, se poloměr zaoblení rohů uvažuje roven hloubce zuhelnatění d char,0. Pro povrchy dřeva nechráněné po dobu vystavení účinkům požáru jsou návrhové rychlosti zuhelnatění β 0 a β n uvedeny v tab Návrhové rychlosti zuhelnatění pro rostlé dřevo listnatých dřevin, vyjma buku, s charakteristickými hodnotami hustoty mezi 290 a 450 kg/m, se mohou stanovit lineární interpolací mezi hodnotami z tab Rychlosti zuhelnatění buku se berou tak, jak jsou dány pro rostlé dřevo jehličnatých dřevin. Tab Návrhové rychlosti zuhelnatění mm/min mm/min a) Dřevo jehličnatých dřevin a buk Lepené lamelové dřevo s charakteristickou hustotou 290 kg/m 0,65 0,7 Rostlé dřevo s charakteristickou hustotou 290 kg/m 0,65 0,8 b) Dřevo listnatých dřevin Rostlé nebo lepené lamelové dřevo listnatých dřevin s charakteristickou 0,65 0,7 hustotou 290 kg/m Rostlé nebo lepené lamelové dřevo listnatých dřevin s charakteristickou 0,50 0,55 hustotou 450 kg/m c) LVL s charakteristickou hustotou 480 kg/m 0,65 0,7 d) Desky Dřevěné obložení 0,9 a Překližka 1,0 a Desky na bázi dřeva jiné než překližka 0,9 a a Hodnoty platí pro charakteristickou hustotou 450 kg/m a tloušťku desky 20 mm. β 0 β n Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 5 -

6 Pro návrhové rychlosti zuhelnatění desek na bázi dřeva a dřevěného obložení platí hodnoty uvedené v tab Hodnoty platí pro charakteristickou hustotu desky 450 kg/m a tloušťku desky 20 mm. Pro ostatní charakteristické hustoty desek ρ k a tloušťky desek h p menší než 20 mm se rychlost zuhelnatění určí takto: β 0,ρ,t = β 0 k ρ k h (10.11) s k ρ = 450 ρ k (10.12) k ρ = 20 h p kde ρ k je charakteristická hustota desky v kg/m, h p je tloušťka desky v milimetrech. (10.1) Povrchy zpočátku chráněné U povrchů chráněných pláštěm požární ochrany, jinými ochrannými materiály nebo jinými konstrukčními prvky, viz obr. 10.4, je třeba uvážit, že: - počátek zuhelnatění je posunut až do času t ch ; - zuhelnatění může začít před porušením požární ochrany, ale nižší rychlostí než rychlostmi zuhelnatění uvedenými v tab až do času porušení požární ochrany t ; - po čase porušení požární ochrany t, rychlost zuhelnatění je zvýšena nad hodnoty uvedené v tab až do času t a popsaného dále; - v čase t a, když se hloubka zuhelnatění rovná buď hloubce zuhelnatění stejného prvku bez požární ochrany nebo 25 mm, podle toho co je menší, se rychlost zuhelnatění vrací k hodnotě uvedené v tab Ochrana zajištěná dalšími konstrukčními prvky může být omezená s ohledem na: - poškození nebo kolaps ochranného prvku; - nadměrnou deormaci ochranného prvku. Má se též uvážit účinek nevyplněných mezer větších než 2 mm ve spojích a obložení na počátek zuhelnatění a, jestliže je to namístě, na rychlost zuhelnatění před porušením ochrany. a) b) Obr Příklady protipožárního obložení: a) nosníků, b) sloupů Legenda: 1 nosník, 2 sloup, záklop, 4 obložení Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 6 -

7 Obr Vývoj hloubky zuhelnatění v čase, když t ch = t a když hloubka zuhelnatění v čase t a je nejméně 25 mm 1 Průběh rychlosti zuhelnatění β n (nebo β 0 ) pro prvky nechráněné během doby vystavení účinkům požáru; 2 Průběh pro zpočátku chráněné prvky po porušení požární ochrany: 2a Po odpadnutí požární ochrany, zuhelnatění začíná ve zvýšené míře; 2b Po dosažení hloubky zuhelnatění 25 mm se rychlost zuhelnatění redukuje na úroveň danou v tab Obr Vývoj hloubky zuhelnatění v čase, když t ch = t a když hloubka zuhelnatění v čase t a je menší než 25 mm 1 Průběh pro prvky nechráněné během doby vystavení účinkům požáru pro rychlost zuhelnatění uvedenou v tab.10.2; Průběh pro zpočátku chráněné prvky s dobami porušení požární ochrany t a s časovým limitem t a menším než je uvedeno v podmínce (10.15b) Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 7 -

8 Obr Vývoj hloubky zuhelnatění v čase, když t ch < t 1 Průběh rychlosti zuhelnatění β n (nebo β 0 ) pro prvky nechráněné během doby vystavení účinkům požáru; 2 Průběh pro zpočátku chráněné prvky kde zuhelnatění začíná před porušením ochrany: 2a Zuhelnatění začíná v t ch v redukované míře, když ochrana je stále na místě; 2b Po odpadnutí ochrany zuhelnatění začíná ve zvýšené míře; 2c Po dosažení hloubky zuhelnatění 25 mm se rychlost zuhelnatění redukuje na úroveň danou v tab Rychlosti zuhelnatění Pro t ch t t se rychlosti zuhelnatění dřevěných prvků uvedené v tab přenásobí součinitelem k 2. V případě kdy je dřevěný prvek chráněn jedinou vrstvou sádrokartonové desky typu F, se k 2 určí takto: k 2 = 1 0,018 h p (10.14) kde h p je tloušťka vrstvy v milimetrech. Jestliže se obložení skládá z několika vrstev sádrokartonové desky typu F, za h p se bere tloušťka vnitřní vrstvy. Jestliže je dřevěný prvek chráněn vlnou z minerálních vláken s minimální tloušťkou 20 mm a minimální hustotou 26 kg/m, která zůstane celistvá, až do C, je možno k 2 brát z tab Pro tloušťky mezi 20 a 45 mm se může použít lineární interpolace. Tab. 10. Hodnoty k 2 pro dřevo chráněné vlnou z minerálních vláken k 2 Tloušťka h ins [mm] ,6 Pro období po porušení ochrany dané t t t a, se rychlosti zuhelnatění v tab přenásobí součinitelem k = 2. Pro t t a se rychlosti zuhelnatění v tab použijí bez přenásobení součinitelem k. Časové omezení t a, viz obr a obr. 10.6, se pro t ch = t uvažuje jako min hodnota ze vztahu (10.15a) a (10.15b): t a = 2 t (10.15a) Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 8 -

9 25 t a = k β + t (10.15b) n nebo pro t ch < t (viz obr. 10.7) t a = ( t t ) k2 25 ch n k β n β + t (10.16) kde β n je předpokládaná návrhová rychlost zuhelnatění, v mm/min. Podmínky (10.15a), (10.15b) a (10.16) platí také pro jednorozměrné zuhelnatění, když β n je nahrazeno β 0. Výpočet t je popsán dále. Podmínka (10.15b) v sobě zahrnuje skutečnost, že vrstva zuhelnatění 25 mm představuje dostatečnou ochranu, aby byla rychlost zuhelnatění redukována na hodnoty v tab Počátek zuhelnatění Pro pláště požární ochrany skládající se z jedné nebo několika vrstev desek na bázi dřeva nebo dřevěného obložení se čas počátku zuhelnatění t ch chráněného dřevěného prvku určuje takto: h p t ch = (10.17) β0 kde h p je tloušťka desky, v případě několika vrstev celková tloušťka vrstev; t ch čas počátku zuhelnatění. Pro pláště tvořené jednou vrstvou sádrokartonové desky typu A, F nebo H podle EN 520, ve vnitřních částech nebo na obvodě sousedícím s vyplněnými spoji, nebo nevyplněnými dutinami o šířce 2 mm nebo méně, se čas počátku zuhelnatění t ch uvažuje takto: t ch = 2,8 h p 14 (10.18) kde h p je tloušťka desky v mm. V místech sousedících se spoji s nevyplněnými dutinami s šířkou větší než 2 mm, se čas počátku zuhelnatění t ch určí takto: t ch = 2,8 h p 2 (10.19) kde h p je tloušťka desky v mm. Sádrokartonová deska typu E, D, R a I podle EN 520 má stejné nebo lepší tepelné a mechanické vlastnosti než typu A a H. Pro pláště tvořené dvěma vrstvami sádrokartonové desky typu A nebo H se čas počátku zuhelnatění t ch určí podle vztahu (10.18), kde tloušťka h p se bere jako tloušťka vnější vrstvy a 50 % tloušťky vnitřní vrstvy, předpokládaje, že rozteč spojovacích prostředků ve vnitřní vrstvě není větší než rozteč spojovacích prostředků ve vnější vrstvě. Pro pláště tvořené dvěma vrstvami sádrokartonové desky typu F se čas počátku zuhelnatění t ch určí podle vztahu (10.18), kde tloušťka h p se bere jako tloušťka vnější vrstvy a 80 % tloušťky vnitřní vrstvy, předpokládaje, že rozteč spojovacích prostředků ve vnitřní vrstvě není větší než rozteč spojovacích prostředků ve vnější vrstvě. Pro nosníky nebo sloupy chráněné vlnou z minerálních vláken se čas počátku zuhelnatění t ch určí takto: t ch = 0,07(h ins 20) ρ ins (10.20) kde t ch je čas počátku zuhelnatění v minutách; h ins tloušťka izolačního materiálu v mm; ρ ins hustota izolačního materiálu v kg/m Časy do porušení plášťů požární ochrany Porucha plášťů požární ochrany může nastat z důvodu: - zuhelnatění nebo mechanické degradace materiálu pláště; - nedostatečné délky průniku spojovacích prostředků do nezuhelnatělého dřeva; Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 9 -

10 - neúměrných roztečí a vzdáleností spojovacích prostředků. Pro pláště požární ochrany z dřevěného obložení a desek na bázi dřeva připevněných k nosníkům nebo sloupům, se čas do porušení určí následovně t = t ch (10.21) kde t ch se stanoví podle vztahu (10.17). Pro sádrokartonovou desku typu A a H se čas do porušení t uvažuje takto: t = t ch (10.22) kde t ch se stanoví podle vztahu (10.18) a h p se stanoví podle shora uvedených zásad. Všeobecně je poškození způsobené mechanickou degradací závislé na teplotě a rozměru desek a jejich orientaci. Normálně je svislá poloha příznivější než vodorovná. Délka průniku l spojovacích prostředků do nezuhelnatělého dřeva má být nejméně 10 mm. a Požadovaná délka spojovacího prostředku l,req se stanoví takto: l,req = h p + d char,0 + l a (10.2) kde h p je tloušťka desky; d char,0 hloubka zuhelnatění dřevěného prvku; l a minimální délka průniku spojovacího prostředku do nezuhelnatělého dřeva. Zvětšené zuhelnatění blízko rohů je přitom třeba vzít v úvahu Metoda redukovaného průřezu Účinný průřez se má vypočítat pomocí redukce počátečního průřezu o účinnou hloubku zuhelnatění d e (viz obr. 10.8): d e = d char,n + k 0 d 0 (10.24) s d 0 = 7 mm, d char,n se určuje podle vztahu (10.9), k 0 je vysvětlen v následujícím textu. Předpokládá se, že materiál v blízkosti čáry zuhelnatění ve vrstvě tloušťky k 0 d 0 má nulovou pevnost a tuhost, zatímco vlastnosti pevnosti a tuhosti zbytkového průřezu se uvažují nezměněné. Obr Deinice zbytkového průřezu a účinného průřezu 1 Počáteční povrch prvku, 2 Okraj zbytkového průřezu, Okraj účinného průřezu Pro nechráněné povrchy se má k 0 určit z tab Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

11 Tab Určení k 0 pro nechráněné povrchy s t v minutách (viz obr. 10.9a) k 0 t < 20 minut t/20 t 20 minut 1,0 Pro chráněné povrchy s t ch > 20 minut, se má předpokládat, že se k 0 mění lineárně od 0 do 1 během časového intervalu od t = 0 do t = t ch - viz obr. 10.9b. Pro chráněné povrchy s t ch 20 minut platí tab Obr Průběh k 0 : a) pro nechráněné prvky a chráněné prvky, kde t ch 20 minut b) pro chráněné prvky, kde t ch > 20 minut Pro dřevěné povrchy lemující prázdnou dutinu ve stropní nebo stěnové sestavě (normálně široké strany sloupku nebo stropnice) platí následující: - Kde se protipožární obvodový plášť skládá z jedné nebo dvou vrstev sádrokartonové desky typu A, desky ze dřeva nebo desek na bázi dřeva, má se k 0, v čase porušení obvodového pláště t, uvažovat 0,. Potom se má předpokládat, že se zvyšuje lineárně na jednotku během následujících 15 minut. - Kde se protipožární obvodový plášť skládá z jedné nebo dvou vrstev sádrokartonové desky typu F, má se k 0, v čase začátku zuhelnatění t ch, uvažovat rovné 1,0. Pro časy t < t ch se má použít lineární interpolace - viz obr. 10.9b. Návrhové pevnostní a tuhostní vlastnosti účinného průřezu se mají počítat s k mod,i = 1, Metoda redukovaných vlastností Pro obdélníkové průřezy ze dřeva jehličnatých dřevin, vystavené požáru ze třech nebo čtyřech stran, a kruhové průřezy, vystavené požáru podél jejich celého obvodu, platí následující pravidla. Zbytkový průřez se má určovat podle 10.. Pro t 20 minut se má modiikační součinitel pro požár k mod,i uvažovat následovně (viz obr ): - pro pevnost v ohybu: 1 p kmod,i = 1,0 200 Ar (10.25) - pro pevnost v tlaku: 1 p kmod,i = 1,0 125 A r (10.26) Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

12 - pro pevnost v tahu a modul pružnosti: 1 p kmod,i = 1,0 0 Ar (10.27) kde p je obvod zbytkového průřezu vystaveného požáru v m, A r je plocha zbytkového průřezu v m 2. Pro nechráněné a chráněné prvky, se má pro čas t = 0 uvažovat modiikační součinitel pro požár k mod,i = 1. Pro nechráněné prvky, se může pro 0 t 20 minut určovat modiikační součinitel lineární interpolací. Obr Zobrazení vztahů (10.25) (10.27) 1 Pevnost v tahu, modul pružnosti, 2 Pevnost v ohybu, Pevnost v tlaku Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

13 10.7 Příklady Příklad 10.1 Návrh nosníku na účinky požáru Návrh prostě podepřeného nosníku na požární odolnost R60. Rozpětí nosníku je 5,0 m a je zatížen návrhovým zatížením g d + q d = 6,5 kn/m. Poměr rozhodujícího proměnného zatížení (sněhu) a součtu stálých zatížení Q k,1 /G k = 1,0. Příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna bedněním. Nosník je ze smrkového dřeva třídy S1 a je zabudován ve třídě provozu 1. Návrh na běžnou teplotu Ohybový moment M d 2 ( g + q 2 ) l 6,5 5 d d = = = 20,1 knm 8 8 Návrhová pevnost v ohybu m,d m,k 22 = kmod = 0,9 = 15, 2 MPa γ 1, M Navržený průřez 180/220 mm. Posouzení normálového napětí za ohybu σ k m,d crit m,d k crit = 1, 0 (příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna) σ 6 M d 6 20,1 10 m,d 2 = = = 14,0 W MPa < 15,2 MPa Nosník na ohyb při běžné teplotě vyhoví. Návrh na účinky požáru Ohybový moment ξ = Q / G = 1,0 k,1 k η (1,0 ψ ξ ) / ( γ γ ξ ) = + + = ( ) ( ) i 1,1 G Q,1 M d,i = ηi M d = 0, = 8, 5 knm 1,0 + 0, 2 1,0 / 1,5 + 1,5 1,0 = 0,42 < 0,65 1) Metoda redukovaného průřezu k mod,i = 1, 0 k i = 1, 25 γ M,i = 1, 0 Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb - 1 -

14 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) d 0 = 7 mm k 0 = 1,0 (povrch nosníku není chráněn) Účinná hloubka zuhelnatění d = β t + k d = 0, , 0 7 = 55 mm e n 0 0 Průřezový modul (nosník je vystaven požáru ze tří stran) b = b 2 d = = 70 mm i e hi = h de = = 165 mm W 2 2 bi hi i = = = mm 6 6 Návrhová pevnost v ohybu 22 = = 1,0 1,25 = 27,5 MPa 1,0 m,k m,d,i kmod,i ki γ M,i Posouzení normálového napětí za ohybu σ k m,d,i crit m,d,i k crit = 1, 0 (příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna) σ M = = = 26,8 d,i 6 8, 5 10 m,d,i Wi MPa < 27,5 MPa Nosník na ohyb pro R60 vyhoví. 2) Metoda redukovaných vlastností k i = 1, 25 γ M,i = 1, 0 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) Hloubka zuhelnatění d char = β t = 0, 8 60 = 48 mm n Průřezový modul (nosník je vystaven požáru ze tří stran) b = b 2 d = = 84 mm r char Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

15 hr = h dchar = = 172 mm W 2 2 br hr r = = = mm 6 6 Návrhová pevnost v ohybu 2 Ar = br hr = 0, 084 0,172 = 1, 4 10 m r r 2 p = b + 2 h = 0, ,172 = 42, 8 10 m k mod,i 1 p = 1,0 = 200 A r ,8 10 1, 0 = 0, , = = 0,85 1, 25 = 2, 4 MPa 1,0 m,k m,d,i kmod,i ki γ M,i Posouzení normálového napětí za ohybu σ k m,d,i crit m,d,i k crit = 1, 0 (příčná a torzní stabilita nosníku je zajištěna) σ M = = = 20,6 MPa < 2,4 MPa d,i 6 8, 5 10 m,d,i Wr Nosník na ohyb pro R60 vyhoví. Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

16 Příklad 10.2 Návrh sloupu na účinky požáru Navrhněte kloubově uložený sloup na požární odolnost R0. Délka sloupu je,0 m a je zatížen osovou silou N d = kn. Poměr rozhodujícího proměnného zatížení (užitného) a součtu stálých zatížení Q k,1 /G k = 2,0. Sloup je ze smrkového dřeva třídy S1 a zabudován je ve třídě provozu 1. Proti účinkům požáru je sloup chráněn OSB deskami, jejichž tloušťka je 20 mm a hustota 550 kg/m. Návrh na běžnou teplotu Návrhová pevnost v tlaku c,0,d c,0,k = kmod = γ M 20 0,8 12, 1, = MPa Navržený průřez 100/100 mm (příčinek OSB desek do únosnosti sloupu není započítán) Štíhlostní poměry λ = le ,8 i = 0, = σ λ E = = λ 2 0,05 c,crit π 2 rel c,0,k = = σ c,crit ,14 6,1 2 10,8 = 20 1,8 6,1 = Součinitel vzpěrnosti ( ) ( ) 2 2 k = 0,5 1 + βc λrel 0, + λ rel = 0, , 2 1,8 0, + 1,8 = 2,27 k c 1 1 = = = 0,27 k + k λ rel 2,27 2,27 1,8 Posouzení sloupu na vzpěr k c N d A c,0,d 1,0 10 = 0,99 < 1,0 4 0, , Návrh na účinky požáru ξ = Q / G = 2,0 k,1 k Sloup na vzpěr při běžné teplotě vyhoví. Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

17 η (1,0 ψ ξ ) / ( γ γ ξ ) = + + = ( ) ( ) i 1,1 G Q,1 Nd,i = ηi Nd = 0, 46 = 15, 2 kn 1,0 + 0,5 2,0 / 1,5 + 1,5 2,0 = 0,46 < 0,60 Doba do porušení pláště požární ochrany (OSB desky, h p = 20 mm, β 0,450,20 = 0,9 mm/min) k ρ = = = 0,9 ρ 550 k h = 1,0 β k = β k k 0,ρ,t 0,450,20 ρ h β 0,550,20 = 0,9 0,9 1,0 = 0,81 mm/min t ch = β h p 0,550,20 20 t ch = = 24,5 min 0,81 t = t ch 1) Metoda redukovaného průřezu k mod,i = 1, 0 k i = 1, 25 γ M,i = 1, 0 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) d 0 = 7 mm ti,req tch = 0 24, 5 = 5, 5 min t k 0 = i,req t 0 = 24,5 = 0, Účinná hloubka zuhelnatění d = 2 β t + k d = 2 0,8 5, 5 + 0, 7 = 11 mm e n 0 0 Štíhlostní poměry b = b 2 d = = 78 mm i e λ = le i = 0, = Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

18 σ λ E = = λ 2 0,05 c,crit π 2 rel c,0,k = = σ c,crit ,14, = 20 2,,7 = Součinitel vzpěrnosti ( ) ( ) 2 2 k = 0,5 1 + βc λrel 0, + λ rel = 0, , 2 2, 0, + 2, =, k c 1 1 = = = 0,17 k + k λ rel,, 2, Návrhová pevnost v tlaku = = c,0,k c,0,d,i kmod ki γ M, i 20 1,0 1, 25 = 25 MPa 1,0 Posouzení sloupu na vzpěr 2 2 Ai = bi = 78 = 6 10 mm 2 N d,i k A c i c,0,d,i 1,0 15, 2 10 = 0,6 < 1,0 0, Sloup na vzpěr pro R0 vyhoví. 2) Metoda redukovaných vlastností k i = 1, 25 γ M,i = 1, 0 β n = 0,8 mm/min (rostlé dřevo) Hloubka zuhelnatění d char = 2 β t = 2 0,8 5, 5 = 9 mm n Štíhlostní poměry b = b 2 d = = 82 mm r char Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

19 λ = le i = 0, = σ E = = λ 2 0,05 c,crit π ,14 = 4,1 MPa λ rel c,0,k = = σ c,crit 20 2,2 4,1 = Součinitel vzpěrnosti ( ) ( ) 2 2 k = 0,5 1 + βc λrel 0, + λ rel = 0, , 2 2, 2 0, + 2, 2 =,1 k c 1 1 = = = 0,19 k + k λ rel,1,1 2, 2 Návrhová pevnost v tlaku Ar = br = 0, 082 = m 2 r 2 p = 4 b = 4 0, 082 = 2,8 10 m k mod,i, A 4 r k mod,i,5 = 0, p 1 2,8 10 = 1,0 = 1,0 = 0,6 c,0,k c,0,d,i = kmod,i ki = γ M,i 20 0,9 1, 25 = 22,5 MPa 1,0 Posouzení sloupu na vzpěr c N r d,i k A c,0,d,i 1,0 15, 2 10 = 0,5 < 1,0 0,19 6, , 5 Sloup na vzpěr pro R0 vyhoví. Literatura [1] Kuklík, P.: Timber Structures 10, ČVUT Praha, 1995, ISBN [2] ČSN EN Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí - Část 1-2: Obecná pravidla - Navrhování konstrukcí na účinky požáru Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb