Odstupové vzdálenosti u nehořlavých stěn s dřevěnými obklady: možnosti zpřesnění současného návrhového přístupu

Současné normové postupy pro stanovení odstupových vzdáleností vycházejí především ze sálání z požárně otevřených ploch (okna, dveře, příp. fasáda) a obvykle nezvažují šíření požáru po dřevěném obkladu fasády. V článku autoři ukazují, jak lze pomocí jednoduchého analytického modelu rozšířit stávající výpočty tak, aby lépe odpovídaly skutečnému chování požáru a zároveň zůstaly plně kompatibilní s českými a evropskými normami.

MOTIVACE: OD „MAGICKÝCH ČÍSEL“
K FYZIKÁLNĚ PODLOŽENÉMU NÁVRHU

Určení odstupových vzdáleností je základní pasivní protipožární opatření. Cílem není detailní popis průběhu požáru, ale vymezení prostoru, kterým lze s určitou rezervou omezit šíření požáru. Normové hodnocení je založeno na posuzování sálání z požárně otevřených ploch – typicky okenních a dveřních otvorů, případně hořlavých fasád.

Zásadní roli při formování tohoto přístupu sehrála britská inženýrka Margaret Law, jejíž práce z druhé poloviny 20. století umožnily převést složité jevy přenosu tepla při požáru do jednoduchých analytických vztahů použitelných v běžné inženýrské praxi [1, 2]. Tyto modely, postavené na konzervativních předpokladech a omezených experimentálních datech, se staly základem řady národních předpisů a později i evropských norem a jsou dodnes využívány.

Současně však Margaret Law ve své pozdější práci upozorňovala na riziko tzv. „magických čísel“ (magic numbers) – tedy mezních hodnot, které byly původně zavedeny jako praktické inženýrské zjednodušení určené k budoucí revizi, avšak postupem času začaly být masivně používány bez vazby na konkrétní fyzikální kontext [3]. Typickým příkladem jsou kritické hodnoty tepelného toku, jež jsou často aplikovány univerzálně na velmi rozdílné materiály a konstrukční řešení. Tato hodnota se navíc v různých zemích liší.

Jak ukazuje řada současných studií, chování fasád při požáru je výrazně ovlivněno materiálovým řešením fasády, zejména přítomností hořlavých obkladů. Přesto jsou tyto obklady v normové praxi často posuzovány zjednodušeně tak, že celý obklad je shodně jako okno či dveře považován za plnohodnotný zdroj sálání neboli zcela požárně otevřenou plochu (POP). Tento přístup je sice bezpečný, ale může vést k výraznému nadhodnocení odstupových vzdáleností [4, 5, 6, 7, 8].

Na tento rozpor mezi normovou praxí a fyzikální realitou požáru upozorňuje analytická studie Šejna a kol. [9], z níž tento článek vychází. Autoři poukazují na skutečnost, že dřevěný obklad fasády není zapálen plošně najednou, ale postupně, a to především v omezené zóně v bezprostřední blízkosti okenního otvoru, kde je vystaven kritickému tepelnému toku. Pouze tato lokální oblast obkladu se následně významně podílí na sekundárním sálání a rozšíření požárně nebezpečného prostoru [9].

Namísto plošného zahrnutí celé fasády jako zcela POP autoři navrhují jednoduchý analytický korekční přístup, založený na principech evropské normy EN 1991-1-2 [10], který umožňuje rozlišit mezi:

• aktivní zónou obkladu, jež se zapálí plameny šlehajícími z otvoru, které následně přispívají k sálání z otvoru,
• a pasivní zónu obkladu, tedy zbytkem hořlavé fasády, jehož vliv na odstupovou vzdálenost je omezený.

Nutno podotknout, že cílem tohoto článku není zpochybnit bezpečnostní filozofii současných předpisů ani snižovat požární bezpečnost staveb. Naopak – snahou je navázat na původní inženýrský přístup Margaret Law, tedy hledat jednoduché, transparentní a fyzikálně zdůvodněné modely, které umožní zpřesnit návrh tam, kde současná „magická čísla“ již narážejí na limity své použitelnosti. Právě tímto směrem pracuje analytický přístup vedoucí ke zpřesnění stanovení odstupových vzdáleností u fasád s dřevěným obkladem, představený v tomto článku.

JAK LZE POŽÁRNÍ ODSTUPY U DŘEVĚNÝCH FASÁD
POSUZOVAT REALISTIČTĚJI

Jak však ukazují současné výzkumy i zkušenosti z praxe, chování fasády při požáru je významně ovlivněno materiálovým a konstrukčním řešením obvodového pláště, zejména přítomností hořlavých obkladů, provětrávaných mezer a požárních přerušení. Tyto prvky se přitom v návrhové praxi často posuzují buď zcela mimo rámec výpočtových modelů, nebo naopak velmi konzervativně – celá plocha obkladu je považována za plnohodnotný zdroj sálání. Takový přístup je sice bezpečný, ale může vést k výraznému nadhodnocení odstupových vzdáleností a v důsledku i k omezení architektonických a urbanistických možností návrhu.

Obr. 1 – Schéma rozdělení na aktivní a pasivní zónu.

Obr. 2 – Schéma řešeného případu v tomto článku.

Vymezení aktivní a pasivní zóny obkladu (obr. 1) je pro přehlednost dalšího výkladu vztažena k jednoduchému a typickému uspořádání fasády, znázorněnému na obr. 2. Uvažována je fasáda s jedním okenním otvorem a s dřevěným obkladem umístěným pouze v úrovni výšky okna, symetricky po jeho stranách. Zbytek fasády je tvořen nehořlavou konstrukcí. Toto zjednodušené schéma umožňuje názorně vysvětlit princip navrženého přístupu a soustředit se na klíčový mechanismus – lokální zapalování obkladu v bezprostředním okolí okna.

Základní návrhový předpoklad zůstává zachován: hlavním zdrojem tepelného sálání při požáru je okenní otvor, ze kterého vystupují plameny a horké plyny. Rozdíl oproti běžné praxi spočívá v tom, jak je nahlíženo na dřevěný obklad v blízkosti tohoto okna (v aktivní zóně). Analytický model ukazuje, že dřevo se při požáru nezapaluje plošně, ale postupně, v závislosti na velikosti tepelného toku a době jeho působení. Kritická situace vzniká především v omezeném pásu po stranách okenního otvoru, kde je obklad vystaven nejintenzivnějšímu sálání.

Namísto plošného zahrnutí celé fasády do výpočtu se proto zavádí pojem aktivní zóny fasády, o šířce d‘_(s,fi,90) pro případ bez účinků větru a d‘_(s,fi,45) při zohlednění působení větru. Do této zóny patří samotný okenní otvor a pouze ta část dřevěného obkladu, u níž lze reálně očekávat zapálení a následný příspěvek k dalšímu sálání. Odstupová vzdálenost, jako zcela POP, se pak stanovuje od této aktivní zóny, nikoli od celkové šířky obkladu. Pro pasivní zónu lze uvažovat menší výkon požáru, neboť již není přímo ovlivněna sáláním z okenního otvoru.

Obr. 3 – Schéma vlivu větru na směr sálání plamenů.

Pro návrhové účely se efekt větru obvykle zohledňuje pomocí zjednodušeného geometrického modelu popsaného v EN 1991-1-2 [10], ve kterém je plamen uvažován jako nakloněný vůči fasádě pod konzervativním úhlem přibližně 45° (obr. 3).

Právě kombinace nakloněného plamene a lokálně zapáleného dřevěného obkladu představuje z hlediska horizontálního šíření sálání nejnepříznivější návrhový scénář. Navržený analytický přístup s tímto stavem pracuje a umožňuje jej zohlednit bez nutnosti numerických simulací nebo experimentálního ověřování. Zároveň však zůstává dostatečně jednoduchý a transparentní, aby byl použitelný v běžné projekční praxi. Výsledkem je návrhový postup, který zachovává konzervativní bezpečnostní filozofii současných předpisů, ale vyhýbá se plošným zjednodušením.

NÁVRHOVÉ ROVNICE PRO ROZŠÍŘENÍ
ODSTUPOVÉ VZDÁLENOSTI

Aby bylo možné navržený přístup použít v běžné projekční praxi, bylo nutné převést analytický model založený na sálání a geometrii plamene do jednoduchého návrhového vztahu. Cílem nebylo dosáhnout maximální matematické přesnosti, ale nalézt konzervativní a současně fyzikálně zdůvodněnou aproximaci, která by spolehlivě pokrývala řešený případ na obr. 2.

Pro různé kombinace šířky bpop a výšky hpop okenního otvoru a dále výpočtového požárního zatížení pv byl numericky stanoven rozsah dřevěného obkladu d‘_(s,fi,90) a d‘_(s,fi,45), u něhož dochází k dosažení kritického tepelného toku 10 kW/m2, jež představuje konzervativní kritickou hodnotu pro pilotované zapálení dřeva. Celkem bylo v rámci parametrické studie provedeno 1 760 samostatných výpočtových případů, které pokrývaly realistické rozpětí návrhových situací běžných v praxi, viz tab. 1.
 

Podrobná analýza dat ukázala, že klíčovým parametrem je doba působení požáru, resp. výpočtové požární zatížení pv uvnitř posuzovaného požárního úseku (jak je uvažováno dle Požárního kodexu). Rozsah aktivní zóny se s časem nezvětšuje lineárně, ale má charakter postupně se zpomalujícího růstu. Tento trend lze velmi dobře popsat jednoduchou exponenciální funkcí, která zachycuje rychlý nárůst v počáteční fázi a pozvolnější vývoj při delším trvání požáru, viz obr. 4.

Obr. 4 – Výsledek při uvažování mocninové funkce.

Na základě regresní analýzy výsledků numerických výpočtů byl proto zaveden závislý součinitel k, který vyjadřuje míru rozšíření aktivní zóny obkladu vůči základní odstupové vzdálenosti stanovené od okenního otvoru. Obecný tvar vztahu lze zapsat jako:

k = a . p_v ^(–b),            (1)

kde pv je výpočtové požární zatížení [kg/m2] a a a b jsou regresní koeficienty odvozené z výpočtových dat.

Nejlepší shoda s numerickými výsledky byla dosažena při hodnotách přibližně a = 5,571 a b = 0,545, což odpovídá velmi vysoké kvalitě aproximace (na obr. 4 červená čárkovaná čára). Pro návrhové použití však byla zvolena zjednodušená a mírně konzervativní forma, která zajišťuje, že návrh zůstává na bezpečné straně i při zohlednění nejistot modelu a pokrývá lépe oblast u nízkých hodnot výpočtového požárního zatížení (na obr. 4 modrá plná čára), kdy a = 5,0 a b = 0,5. Výslednou rovnici lze napsat jako:

k = 5,0 . p_v^(–0,5).           (2)

Tento vztah má několik praktických výhod. Je matematicky jednoduchý, snadno zapamatovatelný a zároveň velmi dobře vystihuje skutečný trend chování aktivní zóny obkladu. Jak je patrné z grafického srovnání, zvolená návrhová křivka sice mírně nadhodnocuje rozsah zapálení oproti přesnější regresi, ale spolehlivě pokrývá všechny analyzované výpočtové případy.

Výsledná návrhová rovnice pak umožňuje stanovit efektivní šířku aktivní části fasády jako součet šířky okenního otvoru a příspěvku zapáleného dřevěného obkladu po jeho stranách. Vliv větru je v tomto vztahu implicitně zahrnut konzervativním uvažováním nakloněného plamene, jak je schematicky znázorněno na obr. 3. Právě tato kombinace geometrie plamene, sálání a časového vývoje zapálení tvoří fyzikální základ navrženého přístupu.

b_(pop,eff) = b_pop + 2d‘_(s,fi,45) = b_pop + 2 ∙ 5,0 ∙ p_v^(–0,5)            (3)

Z pohledu projekční praxe je důležité, že návrhový vztah nevznikl ad hoc, ale je výsledkem systematické analýzy rozsáhlého souboru výpočtů. Současně však zůstává dostatečně jednoduchý, aby jej bylo možné použít bez speciálního softwaru a bez ztráty transparentnosti návrhu. Výsledný rozdíl mezi velikostí požárně nebezpečného prostoru bez dřevěného obkladu a upraveného požárně nebezpečného prostoru o aktivní zónu je uveden na obr. 5.

Obr. 5 – Srovnání tvaru požárně nebezpečného prostoru bez dřevěného obkladu a se zohledněním aktivní zóny.
 

VOLBA NÁVRHOVÉ TEPLOTY
PRO PASIVNÍ ZÓNU DŘEVĚNÉHO OBKLADU

Normová teplotní křivka popisuje vývoj teploty plynů v uzavřeném prostoru (místnosti), nikoli povrchovou teplotu hořícího vnějšího dřevěného obkladu. Jak ukazují analytické i experimentální poznatky, povrch hořícího dřeva v exteriéru dosahuje při ustáleném plamenném hoření výrazně nižších teplot a tepelných toků, než kterých je dosahováno uvnitř objektu. Typické hodnoty sálání hořícího dřevěného obkladu se pohybují přibližně kolem 60 kW/m² [11], zatímco normová teplotní křivka vede již po relativně krátké době k tepelným tokům přesahujícím 100 kW/m².

Dřevěný obklad zároveň ze své podstaty reálně nikdy nemůže být požárně uzavřenou plochou, i když to do určité míry normové hodnoty předpokládají. V případě zdroje požáru umístěného v blízkosti tohoto obkladu dojde vždy k jeho zahoření a tím vývinu tepla a šíření požáru po povrchu obkladu. Bylo by tedy vhodné o obkladu uvažovat minimálně jako o částečně požárně otevřené ploše, která je v normách ČSN limitována tepelným tokem 15 až 60 kW/m2, přičemž hodnota 15 kW/m2 odpovídá zapálení dřeva, ke kterému dochází při přibližně 300–400 °C.

Obr. 6 – Stanovení návrhových teplot pro aktivní a pasivní zónu.
 

Experimentálním hodnocením [11] bylo nicméně dokázáno, že při hoření dřevěného obkladu dochází k uvolnění cca 60 kW/m2, což představuje teplotu přibližně 750 °C na povrchu obkladu. Tato teplota navíc převyšuje maximální teplotu stanovenou v praxi oblíbenou křivkou vnějšího požáru, která dosahuje maximálně 680 °C. Využití teplotní křivky vnějšího požáru tak nemusí být bezpečné.

Proto pro stanovení odstupové vzdálenosti od pasivní zóny (obr. 6) autoři doporučují použití návrhové teploty přibližně 750 °C nehledě na tloušťku samotného obkladu. Tímto postupem se nesnižuje úroveň požární bezpečnosti. Aktivní zóna zůstává posuzována plně konzervativně. Zpřesnění se týká pouze pasivní zóny, u níž lze na základě fyzikálních principů určit návrhovou teplotu. Vyhodnocení tak lépe popisuje realitu. Výsledný rozdíl mezi hodnocením dřevěného obkladu jako zcela požárně otevřené plochy a požárně-inženýrským přístupem jako pasivní zóny může dosahovat až řádu několika metrů, což má zásadní dopad na návrh a umístění stavby na pozemku, viz tab. 2.
 

ZÁVĚR

Používání dřeva na fasádách je dnes běžnou součástí moderní architektury, avšak jeho požárně bezpečnostní posuzování stále často vychází ze zjednodušených předpokladů, které ne vždy odpovídají skutečnému fyzikálnímu chování konstrukce při požáru. Jak ukazuje představený přístup, klíčem není opuštění normového rámce, ale jeho citlivější interpretace v místech, kde se setkává více rozdílných požárních jevů.

Navržené rozlišení mezi oblastí přímo ovlivněnou plamenem z okenního otvoru (aktivní zóna) a částí dřevěného obkladu, která hoří vlastním mechanismem (pasivní zóna), umožňuje stanovit požární odstupové vzdálenosti realističtěji. Přístup zachovává konzervativní charakter návrhu tam, kde je to nezbytné, a současně se vyhýbá plošným zjednodušením, jež mohou vést k výraznému nadhodnocení požárně nebezpečného prostoru.

Z pohledu projekční praxe nejde o oslabení požární bezpečnosti, ale o její zpřesnění na základě fyzikálních principů. Právě takový přístup odpovídá původní inženýrské filozofii, na níž byly normové metody vystavěny, a může přispět k racionálnější aplikaci dřevěných fasád v současné výstavbě.

Je nutné upozornit, že uvedené rovnice a dosažené výsledky se vztahují k uspořádání stěny s jedním okenním otvorem a s dřevěným obkladem nehořlavé stěny v úrovni okna. V budoucích pracích je proto nezbytné analyzovat další možné kombinace dřevěného obkladu a otvorů ve stěnách a navrhnout odpovídající vztahy. Současně je vhodné kriticky posoudit návrhovou teplotu pro pasivní zónu.

PODĚKOVÁNÍ

Tento článek byl zpracován v rámci projektu SGS25/120/OHK1/3T/11 – Pokročilé metody navrhování dřevěných a ocelových konstrukcí při požáru, zaměřeného na rozvoj pokročilých návrhových metod pro zajištění požární bezpečnosti konstrukcí.

Ing. Jakub Šejna, Ph.D.,
korespondenční autor

jakub.sejna@fsv.cvut.cz

Ing. Simona Rušarová,
Ing. Břetislav Židlický, Ph.D.,
doc. Ing. Kamila Cábová, Ph.D.,
Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí,
Fakulta stavební ČVUT v Praze

Ing. Daniela Šejnová Pitelková, Ph.D.,
Ing. arch., Bc. Petr Hejtmánek, Ph.D.,
Požární laboratoř, Univerzitní centrum
energeticky efektivních budov ČVUT
 

Reference
 

1. M. Law, Radiation from fires in a compartment, Fire Research Technical Paper No. 20, Ministry of Technology and Fire Offices’ Committee, Joint Fire Research Organization. HMSO, UK, 1968.
2. M. Law, „Fire safety of external building elements - the design approach,“ Engineering Journal, American Institute of Steel Construction (AISC), USA, 1978.
3. M. Law, P. Beever a O. Arup, „Magic numbers and golden rules,“ Ottawa, Canada, 1994.
4. D. Hopkin, M. Spearpoint, Y. Kanellopoulos, C. Gorska a C. Mayfield, „Multi-Scale Characterisation of the Fire Hazards of Timber Cladding,“ Fire, sv. 8, č. 2, 21 1 2025.
5. L. Jiang, A. S. Bøe a T. Li, „Numerical simulation of fire spread in a large-scale open CLT compartment,“ Fire Safety Journal, 12 2024.
6. T. Engel a N. Werther, „Impact of Mass Timber Compartment Fires on Façade Fire Exposure,“ Fire Technology, sv. 59, pp. 517-558, 3 12 2023.
7. V. Dréan, B. Girardin, R. Chiva, G. Eric a T. Fateh, „Numerical Investigation of the Thermal Exposure of Façade During BS 8414 Test Series: Influence of Wind and Fire Source,“ Fire technology, sv. 59, pp. 217-246, 20 6 2022.
8. Y. Tang, Z. Tian, X. Chen, B. Suendermann, G. Gamble a Z. Huang, „Wind Effect on External Fire Spread through Openings under the Protection of Horizontal Projections or Vertical Spandrels – A Numerical Study,“ Fire, sv. 7, č. 3, 25 2 2024.
9. J. Šejna, S. Rušarová, D. Šejnová Pitelková, B. Židlický, K. Cábová a P. Hejtmánek, „Analytical Refinement of Fire Separation Distances Assessment for Timber-Clad Façades Using Eurocode-Based Radiation Modelling,“ SSRN - preprint, 1 1 2026.
10. E. C. f. S. (CEN), ČSN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1–2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených požáru, 2024.
11. Ľ. Tereňová a J. Štefková, „The impact of the heat flux density on separation distances from flammable surfaces of exterior walls.,“ Delta: fire protection & safety scientific journal, sv. 16, pp. 33-41, 2022.