Využití dřeva v konstrukcích budov dlouhodobě naráží na normativní omezení, která vycházejí z obav o jejich požární bezpečnost. Zejména u výškových staveb je dřevo vnímáno jako materiál s omezenou použitelností, a to navzdory jeho výborným mechanickým a tepelným vlastnostem, ekologickému profilu a obnovitelnosti. Aktuální vývoj nicméně ukazuje, že tuto bariéru lze překonat prostřednictvím tzv.
Hybridní konstrukce představují promyšlené spojení dvou nebo více konstrukčních materiálů, které se navzájem doplňují z hlediska mechanických, tepelných vlastností a z pohledu zvýšení životnosti. V kontextu současného stavebnictví se jedná především o kombinaci dřeva s ocelí, betonem nebo nehořlavými deskovými materiály. Na rozdíl od klasických dřevostaveb, které se větší měrou (kromě např. styčníků) opírají o jednotný materiálový koncept, jsou hybridní systémy definovány vzájemným spolupůsobením různorodých materiálů. Ty musí být technicky navrženy nejen pro běžné provozní zatížení, ale i pro mimořádné situace, jako je požár, zemětřesení nebo pro prostředí s extrémní vlhkostí.
Z hlediska statického návrhu se hybridní prvky chovají jako kompozitní průřezy, v nichž se jednotlivé materiály podílejí na přenosu sil úměrně svým mechanickým vlastnostem. Vliv na přenos sil má i geometrie průřezu, umístění jednotlivého materiálu v průřezu a velkou měrou kontaktní plochy odlišných materiálů. Příkladem může být tzv. slim-floor stropní systém, kde je ocelový nosník z důvodu snížení výšky stropní desky zapuštěn do dřevěné CLT desky (z angl. Cross-laminated Timber, česky křížem vrstvené desky) a spojen například vruty a utěsněn silikátovou výplní pro zvýšení požární odolnosti nosníku.
Zjednodušeně lze uvažovat přenos jednotlivých složek namáhání následovně - dřevo tak přenáší smyk, zatímco ocel výrazně zvyšuje ohybovou únosnost, s ohledem na statické uložení, zatížení a další.
Spolupůsobení obou materiálů je účinné a z mnoha pohledů přínosné, pokud je konstrukce správně navržena. To vyžaduje přesnou znalost rozdělení sil, chování spojů a dalších kontaktních ploch, degradaci materiálových vlastností při zvýšených teplotách nebo působení dalších vlivů prostředí. V návrhu hybridních systémů se proto stále častěji uplatňují pokročilé výpočetní metody - například FE modely (Finite Element model - v čj. Model Konečných Prvků, MKP) pro analýzu odezvy konstrukce při působení mechanického a teplotního zatížení nebo při analýze interakce jednotlivých částí konstrukce (např.
Čtěte také: Klimatické podmínky
V rámci těchto moderních řešení vznikají nové konstrukční a požárně bezpečnostní výzvy. Hybridní systémy nelze posuzovat podle stávajících tabulkových hodnot či stávajících analytických postupů, protože v nich dochází k interakci materiálů s výrazně odlišným chováním při zvýšené teplotě.
Zahraniční praxe ukazuje, že hybridní dřevěné systémy se uplatňují i ve výškových budovách a složitějších objektech. Například ve Finsku, Kanadě nebo Japonsku byly v posledních letech realizovány konstrukce kombinující CLT s ocelovými jádry nebo ztužujícími rámy. Dalším příkladem ze zahraniční praxe může být technologie Moen-Wood [5], která reprezentuje špičku v oblasti vícepodlažních hybridních dřevostaveb.
Hybridní konstrukce, v nichž jsou dřevěné prvky kombinovány s ocelí nebo betonem, kladou na požární návrh zcela odlišné nároky než běžné homogenní systémy. Zatímco u tradičních dřevostaveb je možné navrhovat požární odolnost jednotlivých prvků na základě předpokládané hloubky zuhelnatění a účinného průřezu a u ocelových konstrukcí na základě redukce vlastností v závislosti na teplotě, u hybridních konstrukcí toto oddělené uvažování selhává. Současná evropská i česká norma neposkytuje žádnou přímou metodu či postup pro posouzení požární odolnosti hybridních systémů.
Současné normy jako ČSN EN 1995-1-2 [10] pro dřevěné konstrukce nebo ČSN EN 1993-1-2 [6] pro ocelové konstrukce předpokládají homogenní složení konstrukčního prvku, což je v případě hybridního systému s CLT deskou či rostlým dřevěným prvkem a zapuštěným ocelovým profilem, rámovou konstrukcí s výplní z CLT nebo stěnovým systémem s ocelovými spojovacími nosníky zcela nedostatečné.
Právě kvůli této situaci je nutné přistoupit k návrhu požární odolnosti požárně inženýrským přístupem (PIP). Tento postup je postaven na identifikaci fyzikálních jevů, sestavení výpočtového modelu a jeho validaci pomocí experimentálních nebo referenčních dat. V praxi to znamená nutnost provést numerickou simulaci přestupu tepla v celé skladbě konstrukce (např. pomocí FE modelu) zarhnující úbytek dřeva během odhořívání, následně modelovat degradaci mechanických vlastností dřeva i oceli při zvýšené teplotě a vyhodnotit únosnost v čase. Zároveň popsat chování a změnu spolupůsobení jednotlivých vrstev v případě požáru.
Čtěte také: Postup zateplení v ČR
Již dříve bylo upozorněno, že inženýrský přístup je nutný nejen z důvodu absencí normativních řešení, ale i z důvodu naplnění vyšších požadavků na bezpečnost či využití materiálů s ohledem na ekonomický návrh. Inženýrský přístup se proto jeví jako nejefektivnější a nejkomplexnější metoda při návrhu výškových staveb s využitím dřeva či materiálu na bázi dřeva.
Využití PIP přístupu v analýze výše uvedeného typu hybridní konstrukce, stropu složeného z CLT panelu a ocelového nosníku IPE, který je částečně zapuštěn do dřeva, přináší benefity ve smyslu přesnějších poznatků v jednotlivých částech návrhu. Např. v části stanovení přestupu tepla. Ocel v tomto případě není vystavena návrhovému požáru na celém svém povrchu, jak předpokládá EN 1993-1-2 [11], ale pouze teplotám, které se šíří skrze dřevěný materiál s nižší vodivostí. Využití PIP tak vede k výpočtu nižších teplot ocelového profilu. Pokud však není součástí návrhu i ochrana dřeva v oblasti styku s ocelí či ochrana spodní pásnice ocelového profilu - například intumescentním nátěrem, deskovým obkladem nebo dalšími možnými způsoby - může dojít kvůli odhalené spodní ocelové pásnici k rychlému přehřátí ocelového profilu i bez zjevného prohoření.
Dalším zajímavým jevem je i funkce oceli jako bariéry při prostupu tepla ve dřevě. Kromě přestupu tepla je také nutné zvažovat mechanické vlastnosti, např. že dřevo ztrácí svou tuhost a únosnost již při teplotách nižších než 100 °C, zejména v oblastech vysokého smykového namáhání (např. v okolí kotevních spojů).
Experimentální studie i numerické modely [3, 4, 8, 9] ukazují, že spoje mezi materiály jsou často kritickým bodem, kde selhání nastává dříve než v samotném nosném průřezu.
Výše uvedené jsou pouze příklady toho, proč nelze v případě hybridní konstrukce stanovit požární odolnost zjednodušeným přístupem, např. pouhým odečtením z tabulky, ale je třeba modelovat reálné podmínky v celém objemu prvku. Z hlediska systémového návrhu je třeba hodnotit hybridní konstrukce jako komplexní tepelně-mechanické systémy, které nelze rozdělit na části s odděleným posouzením.
Čtěte také: Charakteristika klimatu v ČR
Řešení jednotlivých částí návrhu či komplexního posudku hybridních konstrukcí při požáru pomocí numerických metod lze považovat za výhodné v mnoha ohledech. Je však nutná znalost softwarových nástrojů založených na metodě konečných prvků (např. SAFIR, ANSYS, COMSOL, atd.). interakci mezi vrstvami (např.
Zahrnutí výše zmíněných i dalších požadovaných vstupních dat popisujících např. okrajové podmínky umožňuje dosáhnout přesnějších a úspornějších řešení, ale za cenu investic do softwarového vybavení či studia softwarových nástrojů. Navzdory těmto nárokům se však numerické výpočty ukazují jako jediná možná cesta, jak nejpřesněji navrhovat hybridní konstrukce, které se vymykají běžným normám.
Zatímco v evropském kontextu se nad výškovými dřevostavbami a požární bezpečností stále vedou odborné diskuse, v Japonsku se podařilo tento technologický a normativní rozpor částečně překlenout díky vývoji propracovaného hybridního systému Moen-Wood, viz Obr. 4. Japonsko se vyznačuje specifickou kombinací velmi přísné požární legislativy, vysokého seismického rizika a tradičního vztahu k dřevu jako k ušlechtilému a kulturně významnému materiálu. Až do počátku 21. století nebylo v Japonsku povoleno stavět dřevěné budovy vyšší než tři podlaží. Přes tato omezení se však vývoj ubíral cestou inženýrských řešení umožňujících certifikaci dřeva pro náročné aplikace. Společnost Takenaka v tomto směru patří v Japonsku mezi průkopníky.
Základním principem systému Moen-Wood společnosti TAKENAKA Corporation je vrstvené uspořádání konstrukčního prvku, které je navrženo tak, aby kombinovalo nosnou funkci, tepelnou ochranu a reakci na požár, tedy postupné odhořívání. Vnitřní vrstvu tvoří lepené lamelové dřevo (GLT, z angl. Glue Lamined Timber), jež zajišťuje přenos statických zatížení. Tato část je dimenzována jako hlavní nosný prvek konstrukce a je z hlediska požární odolnosti chráněna vnějšími vrstvami. Střední vrstvu představuje nehořlavý materiál - obvykle cementová nebo sádrová malta - který slouží jako tepelná bariéra, jež výrazně zpomaluje prostup tepla k nosnému jádru. Vnější vrstva je tvořena dřevem, které je ponecháno záměrně viditelné a při požáru podléhá zuhelnatění. Tento proces vytváří vrstvu zuhelnatělého dřeva, jež působí jako přirozená tepelná izolace, snižuje rychlost přenosu tepla a přispívá ke stabilizaci vnitřní teploty konstrukce.
Celek tak tvoří kompozitní hybridní prvek, jehož chování při požáru je na základě zkušeností společnosti Takenaka Corporation ověřené, pomocí přesných výpočtů předvídatelné, a zároveň umožňuje zachování přiznaného dřeva jako součásti architektonického výrazu. Dle společnosti Takenaka není požární návrh pouze otázkou dodržení normových požadavků, ale přesného výpočtu a experimentu s cílem doložit, že konstrukce splní požadavky vůči definovanému scénáři, nikoliv jen číslo z tabulky. Společnost rovněž zdůrazňuje, že návrh není možné provést bez porozumění materiálovým vlastnostem dřeva při zvýšené teplotě, vlivu vlhkosti, interakci mezi vrstvami a také bez znalosti tepelných zpoždění mezi požárním scénářem a odezvou konstrukce.
Systém Moen-Wood společnosti TAKENAKA Corporation byl následně aplikován na desetipodlažní budovu v Sendai a dvanáctipodlažní hybridní konstrukci v Tokiu, přičemž v obou případech byla nosná konstrukce tvořena dřevem, doplněným o jádro nebo stěnové výztuže z betonu či oceli. Prvky byly podrobeny požárním zkouškám s vícezónovým měřením teploty, měřením deformací a řízeným zatěžováním během zkoušky. Tyto výsledky byly předloženy japonským regulačním úřadům jako součást schvalovací dokumentace. Přístup Takenaka ukazuje, že dřevo může být použito jako hlavní nosný materiál i ve výškové výstavbě, pokud je jeho chování precizně popsáno, ověřeno a dokumentováno.
Systém Moen-Wood společnosti TAKENAKA Corporation není univerzálně přenositelný, protože japonské předpisy a klimatické podmínky se liší od evropských. Zároveň se ukazuje, že architektura nemusí ustupovat požární bezpečnosti, pokud jsou navrženy správné konstrukční a materiálové strategie.
Využití hybridních konstrukcí se dřevem přináší značný potenciál pro rozvoj udržitelného, nízkouhlíkového a architektonicky kvalitního stavebnictví. Současně však vyžaduje zcela nový způsob uvažování o požární bezpečnosti a návrhu konstukce.
V České republice činí podíl dřevostaveb již 16 %. Jejich životnost ovlivňuje spousta faktorů, mezi něž podobně jako u zděných staveb patří například kvalita materiálu, provedení a použité doplňky a v neposlední řadě také údržba objektu, která se projeví v užitné kvalitě i době trvání. Stejně jako stavby z cihelné klasiky také dřevostavby se od sebe odlišují podílem použitého dřeva, jeho konstrukčním využitím i kombinací s jinými materiály.
U dřevostaveb odpadají některé technologické procesy jako vysychání, dotvarování a vymrzání, které brzdí výstavbu v řádu několika měsíců. Stavět lze začít bez ohledu na roční období a hrubá stavba domu je dokonce otázkou několika málo dnů. Konstrukce dřevostavby je podle údajů Českého statistického úřadu hotová v průměru o 1,5 roku dříve než konstrukce zděného domu.
Historické konstrukce hrázdění, roubení, ale i naprosté většiny krovů se dělávaly ze syrového řeziva. Bylo snadno opracovatelné - tesání, štípání či pouhé dlabání tesařských spojů je ve vyschlém materiálu prakticky neproveditelné. Konstrukce z čerstvého dřeva byly navíc velmi poddajné, vyschnutím se ještě více zpevnily a spoje se zatáhly.
Z toho důvodu se dnes volí dřevo zcela vyschlé, uměle vysušené, nebo se místo masivu stále častěji prosazují zcela homogenní lepené profily dodávané v libovolných délkách, které se mohou mnohem lépe přizpůsobit statickým či tepelným požadavkům. Primární surovina se tak navíc využívá mnohem ekonomičtěji než v případě masivních trámů.
Nejčastější technologií dřevostaveb u nás je rámová skeletová konstrukce vyplněná tepelnou a akustickou izolací s pláštěm z konstrukčních sádrokartonových či sádrovláknitých desek.
Pokud se má dosáhnout dlouhé životnosti, musí být dřevostavba dobře provedena a dřevo ve stěně chráněné před největším nepřítelem - vlhkostí. Proto současné dřevostavby nejvíce ohrožuje nenápadná vzdušná vlhkost, vodní pára, jež je všude kolem nás a při nevhodném návrhu či chybném provedení může zkondenzovat uvnitř konstrukce. Zde se postupně hromadí a vlhnoucí dřevo začne pomalu degradovat a ztrácet pevnost, což může vést až k destrukci konstrukcí a nákladným sanacím.
Vstupu vlhkosti do stěn a střech lze účinně zabránit použitím parotěsnicí vrstvy, nebo se držet v současnosti preferovaného konceptu difuzně propustných konstrukcí, takže vlhkost může procházet oběma směry bez rizika nebezpečné kondenzace. Oba přístupy mají své zastánce a optimální podmínky použití. Každý projektant obeznámený s dřevostavbami by měl tyto aspekty dobře znát a být schopen doporučit pro daný typ a tvar domu vhodné řešení - například pod ploché střechy je nutné umístit parozábranu, zatímco dřevem obložená fasáda může být v difuzně propustném provedení.
Jednotlivé typy konstrukčních systémů ze dřeva mají své silné a slabé stránky:
V posledních letech se v architektonické a stavební komunitě rozmohl intenzivní zájem o udržitelnost konstrukcí s důrazem na vliv těchto konstrukcí na životní prostředí. 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.
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.
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 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. 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.
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.
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. Ochrana ocelových konstrukcí ale není složitá - lze je efektivně chránit pasivně pomocí požárních nástřiků či nátěrů, nebo aktivně pomocí hasicích systémů. Odpověď je poměrně jednoduchá - ocel je snadno recyklovatelná, což z ní činí z hlediska udržitelnosti materiálů velmi přijatelnou volbu.
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. 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.
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.
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. Můžeme se například zamyslet nad situaci, kdy je potřeba ohořelý dřevěný sloup obnovit do jeho původních rozměrů. 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.
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.
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. 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. 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.
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.
tags: #clt #klimaticke #podmínky #vliv #na #konstrukci