Překračujeme normy v oblasti zuhelnatění dřevěných konstrukcí při přirozeném či orientovaném požáru

V rámci rozsáhlé studie realizované na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí ČVUT v Praze bylo podrobně zkoumáno chování dřevěných sloupů vystavených takzvaným přirozeným a orientovaným požárům. Výzkum se zaměřil na vývoj zuhelnatělé vrstvy v dřevěných konstrukcích, neboť představují klíčový faktor pro posouzení jejich požární odolnosti. Výsledky poskytují informace nejen vědcům, ale i praktikujícím projektantům. Spojují praktické zkušenosti s teoretickými poznatky a zdůrazňují význam hoření dřeva pro detailní přístup k návrhu dřevostaveb.

Cílem výzkumu bylo poskytnout komplexní pohled na vliv různých aspektů požáru – jeho intenzity a způsobu šíření – na proces zuhelnatění dřeva. Přístup kombinuje reálné experimenty v požární komoře tzv. Room Corner Test s pokročilým numerickým modelováním a pravděpodobnostními výpočty. Realizované požární experimenty umožnily sběr cenných dat o chování dřeva pod vlivem asymetrického ohřevu. Díky tomu bylo možné lépe porozumět rychlosti vzniku zuhelnatělé vrstvy.

Obr. 1 – Detailní pohled na nesouměrné hoření způsobené orientací sloupu ke zdroji plamenů. Foto: Bc. Jiří Ryszawy, Výpočetní a informační centrum ČVUT.

V návaznosti na experimentální fázi bylo využito sofistikovaného modelu dynamiky tekutin (CFD = Computational Fluid Dynamics) pro simulaci procesu pyrolýzy dřeva a uvolňování hořlavých plynů. Možnosti popsat chování dřevěných konstrukcí při jiných průbězích požárů než například podle normové teplotní křivky poskytly důležité poznatky pro požárně inženýrský přístup. Vědomosti zde představené vychází z požárních experimentů provedených v rámci mezinárodního výzkumu.

Pravděpodobnostní analýza provedená v závěrečné části studie umožnila kvantifikovat různé faktory ovlivňující tvorbu zuhelnatělé vrstvy a poskytuje cenný nástroj pro pochopení, předpověď reálnějšího chování dřevěných konstrukcí během požáru a zvýšení bezpečnosti dřevěných staveb.

Studie překračuje tradiční normové předpoklady o chování dřeva při požáru, jež řeší rovnoměrné zatížení konstrukcí požárem. Odhaluje vliv orientovaných a přirozených požárů na zuhelnatění dřevěných prvků a zdůrazňuje potřebu dalšího výzkumu v této oblasti, jak je znázorněno na obrázku 1.

VÝZKUM A MODELOVÁNÍ PYROLÝZY DŘEVA

Technologický pokrok rozšířil uplatnění dřeva v různých konstrukcích. Dřevo je čím dál častěji uvažováno jako konstrukční materiál i pro výstavbu vysokých budov, mostů, a dokonce stadionů. Nicméně hořlavost dřeva zůstává hlavním problémem, který představuje potenciální ohrožení životů a škody na majetku. Inovativní stavební návrhy budov proto zahrnují nutnost počítačového modelování, testování a optimalizaci ke zmírnění těchto rizik. Tento proces je nejen časově a finančně náročný, ale klade důraz na užití pokročilých znalostí a zkušeností posuzovatelů.

Hoření dřeva zahrnuje složitou interakci fyzikálních a chemických procesů. Vědecké pokroky a vývoj technologií umožnily přesnější vyšetřování těchto procesů. Pyrolýza dřeva a vývoj zuhelnatělé vrstvy se staly hlavní oblastí výzkumu a získaly významnou vědeckou pozornost. Shrnujeme zde poznatky z provedené studie na Fakultě stavební ČVUT v Praze se zaměřením na popis oblastí modelováním pyrolýzy a tvorbou zuhelnatělé vrstvy ve dřevě za přirozených podmínek požáru, při kterých nemusí dojít k celkovému vzplanutí místnosti. Požár tak může putovat v prostoru a vystavovat konstrukce orientovanému zatěžování. S využitím numerických simulací – dynamiky tekutin (CFD) a modelu přenosu tepla – studie zkoumala dopad různých expozic požáru na dřevěné prvky. Platnost poznatků studie je podložena požárními experimenty provedenými v požární komoře Room Corner Test (RCT) na Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze (UCEEB). Hlubší porozumění procesu pyrolýzy, při které se uvolňují hořlavé plyny ze dřeva, je zásadní pro předpovídání chování a šíření požárů po povrchu dřevěných prvků či v zasaženém prostoru požárem. Shrnutá zjištění, zejména zaměřující se na určování rychlosti zuhelnatění pomocí pravděpodobnostních metod, umožňují hlubší porozumění a poznatky mohou být přeneseny do praxe.

Stávající stav znalostí v oblasti experimentálního výzkumu hoření dřeva je široký. Historicky se mnoho studií zaměřilo na zkoumání dřevěných prvků za standardních (normových) podmínek požáru, což vedlo k vývoji empirických rovnic pro výpočet tloušťky zuhelnatělé vrstvy uvedených v ČSN EN 1995-1-2. Tato tloušťka je ovlivněna různými faktory, jako jsou obsah vlhkosti, hustota dřeva a doba vystavení požáru. Nicméně standardní podmínky požáru často nedokážou adekvátně reprezentovat přirozené chování požáru. Během požáru dochází ke snížení koncentrace kyslíku v kouřové vrstvě, jejíž vliv má dopad na rychlost zuhelnatění dřeva. Zároveň v prostorech typu open-space se požár může stát tzv. putujícím, tedy nedochází k prostorovému vzplanutí.

Obr. 2 – Schéma požární komory Room Corner Test. Autor: Ing. Jakub Šejna, katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Fakulta stavební ČVUT v Praze.

Tvorba zuhelnatělé vrstvy dřeva zatěžovaného přirozeným požárem se proto stává vědeckým tématem, jemuž se věnují výzkumníci z České republiky i zahraničí. Provedené experimentální studie jsou porovnávány s empirickými modely, které ovšem mají svá omezení. Empirické modely se obvykle vztahují pouze na jednoduché geometrie, konkrétní druhy dřeva a určité podmínky požáru. Jejich cílem je určení hloubky zuhelnatění, jež je založeno na stanovení polohy izotermy 300 °C. Určení skutečné polohy může být ale problematické. Zároveň tyto modely neposkytují odpověď na případné znovurozhoření dřeva. Výzkumníci se tak snaží tyto nedostatky odstranit pomocí numerických modelů zohledňujících přenos tepla nebo transportu vodní páry dřevem.

Pro přesnější popis zuhelnatění a pyrolýzy dřeva jsou potřebné pokročilé matematické modely založené na důkladném fyzikálním a chemickém porozumění. Rychlost pyrolýzy je silně ovlivněna okolní teplotou, což následně ovlivňuje tvorbu zuhelnatělé vrstvy. Celulóza, jedna z hlavních složek dřeva, hraje klíčovou roli v těchto termochemických procesech. Existuje mnoho modelů pyrolýzy, které se liší složitostí reakčních procesů. Avšak pouhé porozumění pyrolýze celulózy není dostatečné pro přesné předpovědi hoření dřeva. V současné literatuře existuje několik specifických modelů spojeného přenosu tepla, hmoty a pyrolýzy navržených pro konkrétní scénáře, jež omezují jejich širší použitelnost. Některé modely jsou přizpůsobeny sušení dřeva nebo tepelnému zpracování, jiné pro bleskovou pyrolýzu a některé zjednodušují nebo opomíjejí zvážení přenosu hmoty. Přestože jsou tyto modely složité a přesné, selhávají v jejich širším použití pro různé podmínky požáru.

POŽÁRNÍ EXPERIMENTY A NUMERICKÉ MODELY

Matematické modely využívající CFD jsou v požárním inženýrství stále důležitější. Modelováním lze předpovídat například teplotní prostředí kolem konstrukčních prvků. Pokud je konstrukce dřevěná, přispívá hořením k intenzitě požáru. Dřevo vystavené ohni na povrchu vzplane a dále hoří, čímž vzniká zuhelnatělá vrstva. Pod touto vrstvou nezasažené dřevo podléhá pyrolýze. Tento proces produkuje různé plyny, pryskyřice, kyseliny, dehet a další látky, které živí oheň, čímž zvyšuje teplotu plynů uvnitř místnosti. Matematický model tak musí předpovídat odhořívání dřevěných konstrukcí a správně zohlednit jejich příspěvek k teplotě prostředí v místnosti.

Přesnost modelů CFD závisí na komplexních vstupních datech, jež může být komplikované nalézt, nebo tato data nemusí být správně použita. Při simulaci s hořlavými konstrukcemi tak kromě standardních dat o požární komoře (jako jsou geometrie komory RCT, vlastnosti materiálů stěn, zdroj ohně, ventilační podmínky atd.) je nutné správně nastavit parametry hořícího materiálu.

Přes rostoucí popularitu CFD modelů se názory na jejich spolehlivost liší. Plně replikovat vše, co se děje během požáru, je téměř nemožné. Nicméně série simulací může poskytnout užitečné informace o pravděpodobném chování a šíření požáru. V rámci řešené studie tvorby zuhelnatělé vrstvy dřeva vystaveného přirozenému a orientovanému požáru byly matematické modely ověřeny pomocí experimentů provedených v zařízení zvaném Room Corner Test (RCT), které se nachází v UCEEB ČVUT. RCT se skládá z místnosti (požární komory) o rozměrech 3,6 × 2,4 m s výškou 2,4 m, postavené z pórobetonových bloků. Místnost má na přední stěně dveřní otvor o rozměrech 0,8 × 2 m a vedle něj 3 × 3 × 1 m odtahový zvon spalin. Kouř je dále odváděn skrze odtahové potrubí, které je vybavené zařízením pro měření teploty, průtoku a analýzu plynu (O2, CO, CO2) nebo aparátem pro hodnocení optické hustoty. Jako zdroj tepla slouží plynový hořák umístěný v rohu místnosti. Tvar a rozměry RCT jsou znázorněny na obrázku 2.

 

Obr. 3 – 3D znázornění experimentu.

Obr. 4 – Půdorys s popisem rozmístění experimentu.

 
Autor: Ing. Jakub Šejna, katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Fakulta stavební ČVUT v Praze.

RCT kromě jeho hlavního účelu, kterým je stanovení třídy reakce na oheň obkladů stěn a stropů, je možné použít i pro jiné nenormové testy. Poskytuje bezpečné podmínky pro zkoušení materiálů, konstrukcí či ověření chování nejrůznějších nábytkových sestav.

Do RCT byly umístěny masivní dřevěné prvky za účelem pozorování jejich chování při požáru. Sloupy byly čtvercového průřezu o hraně 0,15 m a délky 2 m, detailní rozmístění je znázorněno na obrázku 3 a obrázku 4. Během testu bylo dřevo vystaveno otevřenému plamenu po dobu 30 minut, přičemž byly pozorovány jeho reakce. Zkouškou bylo možné simulovat pomalé rozhoření požáru v místnosti i znovurozhoření požáru (prvních 10 minut výkon hořáku byl 100 kW a následně po 20 minutách 300 kW). Byla pozorována tvorba zuhelnatělé vrstvy a pyrolýzy dřeva po výšce dřevěných sloupů, viz obrázek 5, včetně vývoje kouře a zvýšení teploty v požární komoře vlivem těchto hořlavých konstrukcí. Vytvořená zuhelnatělá vrstva po experimentu je ukázána na obrázcích 6 a 7.

Obr. 5 – Vlevo: fotografie měřeného řezu dřevěného sloupu ve výšce 1 920 mm, vpravo: fotografie měřeného řezu ve výšce 1 250 mm, meřeno od paty sloupu. 

Autor: Ing. Dominik Štraus, katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Fakulta stavební ČVUT v Praze.
 

Je nutné podotknout, že náhodnost je všudypřítomným prvkem, který ovlivňuje téměř každý parametr problému. Tato náhodnost znamená, že skutečné hodnoty parametrů nejsou pevné, ale kolísají. Výpočet rychlosti zuhelnatění dřeva je ovlivněný mnoha faktory s náhodnými rozděleními. Proto je vhodné provést stejný test několikrát, čímž se odhalí odlehlá pozorování.

HLAVNÍ METODY PRO MODELOVÁNÍ ZUHELNATĚNÍ DŘEVA

Obr. 6 – Vytvořená zuhelnatělá vrstva  po vypnutí hořáku. Foto: Bc. Jiří Ryszawy, Výpočetní a informační centrum ČVUT.

Existují dvě hlavní metody pro modelování zuhelnatění dřeva – deterministická a stochastická.

V současnosti se více používá deterministický přístup, při kterém má každý vstupní parametr pevnou hodnotu. Doposud byl v literatuře tento deterministický přístup hlavní metodou pro určení zuhelnatění dřeva. Stochastická metoda řeší povahu jevů použitím charakteristických nebo průměrných hodnot pro různé parametry. Stochastická metoda, jež zohledňuje náhodnost a variabilitu parametrů v celé zkoumané doméně, se používá méně z důvodu své zvýšené numerické složitosti. Tato složitost se ještě více projevuje v modelech hoření dřeva, kde jsou klíčové vstupní parametry vysoce citlivé.

Stochastické analýzy hoření dřeva existují jen v omezeném množství. R. Pečenko a T. Hozjan z FGG Univerzity v Lublani (Slovinsko, členové výzkumného týmu ve spolupráci s FSv ČVUT) provedli analýzu spolehlivosti zakřiveného dřevěného nosníku za standardních a parametrických podmínek požáru, přičemž základní tepelné vlastnosti dřeva a koeficienty hraničního tepelného toku považovali za náhodné proměnné. Omezením studie bylo však spoléhání na jednoduchý model přenosu tepla a kritérium izotermy 300 °C pro hloubku zuhelnatění.

Obr. 7 – Nesymetrický vývoj zuhelnatělé vrstvy při orientovaném požáru. Foto: Bc. Jiří Ryszawy, Výpočetní a informační centrum ČVUT.

V současné době existuje v literatuře nezkoumaný prostor týkající se komplexní stochastické analýzy materiálových parametrů v pokročilých modelech teplo – hmota – pyrolýza, zejména pokud jde o tepelné a kinetické parametry pyrolýzy. Studie naznačují, že současné návrhové metody by mohly směřovat k velmi konzervativním výpočtům, kdy skutečná hloubka zuhelnatění může být výrazně menší, což představuje výzvu v rámci požárně-inženýrského přístupu pro dřevěné konstrukce, a možným řešením je použití pokročilých pravděpodobnostních modelů, které zpřesní chování dřeva při požáru (pozn. autora: v TNI prEN 1995-1-2 dochází k úpravě výpočtu rychlosti zuhelnatění).

Kromě materiálových parametrů je intenzita a rychlost tvorby zuhelnatění dřeva silně ovlivněna podmínkami požáru. Požár je složitý jev, který zahrnuje interakce mezi materiály, ventilací, bezpečnostními systémy a konstrukčními systémy uvnitř prostoru, proto je přesná predikce obtížná. Teoreticky by mohlo existovat nekonečné množství scénářů požáru, kdy každý ovlivňují jiné parametry (například odvětrání, vliv hašení atd.). V oblasti stavebního inženýrství se požár obvykle modeluje pomocí deterministických modelů, které řeší konkrétní scénáře vývoje požáru prostřednictvím matematických rovnic. Ty zahrnují analytické, zónové i další pokročilé simulační modely včetně dynamiky tekutin. Pravděpodobnostní modely, které řeší různé vlastnosti dřeva nebo spolehlivost bezpečnostních systémů, jsou jednou z těchto metod možných pro využití náhodnosti. Ačkoli se používají v malém zastoupení, jsou cenné pro pochopení vztahu mezi výskytem nebo rozsahem požáru a kvantifikací poškození. Pro doplnění lze zmínit i hybridní způsoby výpočtu hoření dřeva, které kombinují pravděpodobnostní a deterministické přístupy. V těchto hybridních způsobech jsou scénáře požáru definovány deterministicky, ale vstupní hodnoty se považují za náhodné proměnné. Výstupy takových modelů, opakovaně spuštěné s různými vstupními hodnotami, jsou poté hodnoceny z hlediska frekvence a rozsahu výskytu.

Vzhledem k faktu, že vstupní proměnné přirozených požárů jsou velmi variabilní, mělo by být simulováno mnoho scénářů. Zatímco modely CFD nabízejí užitečné výsledky, jejich složitost a časová náročnost vyžaduje využití jednodušších modelů pro rychlejší výsledky. Pravděpodobnostní přístupy s využitím například metody Monte Carlo nebo specifických rozdělení pro stanovení vlastností dřeva jsou jednou z technik, která se používá ke statistickému hodnocení vlivu požáru na vývoj zuhelnatělé vrstvy dřeva. Tato metoda byla použita ve studiích zkoumajících hustotu požárního zatížení v budovách a předpovídajících selhání konstrukcí za nestandardních podmínek požáru.

KONKLUZE

Celkově, ačkoli jsou v požární praxi více využívané deterministické postupy, roste uznání potřeby pokročilejších, stochastických modelů pro řešení složitostí vývoje zuhelnatělé vrstvy dřeva v podmínkách požáru, zejména při přirozených a orientovaných požárech.

Výzkumem provedeným na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT byl potvrzen významný dopad vlivu orientace požáru na tvorbu zuhelnatění dřeva, přičemž byl zdůrazněn vliv různých požárních parametrů. Přestože jsou empirické výpočty hloubky zuhelnatění jednoduché, zahrnují zásadní charakteristiky požáru, poskytují rychlou a bezpečnou metodu. Pro přesné modelování přirozených požárů a porozumění rozložení teploty v průřezu dřeva jsou nezbytné pokročilé metody založené na fyzikálních principech. Modely, jako například PyCiF vyvíjený Robertem Pečenkem z FGG Univerzity v Lublani, jež nespoléhají na kritérium izotermy 300 ˚C, vyžadují pečlivě zvolené a kalibrované tepelné vlastnosti dřeva. Klíčovými faktory v těchto modelech jsou exotermická povaha spalování dřeva a související generování tepla.

Experimentálními výsledky bylo zdůrazněno, jak rychlost vývoje požáru a fáze chladnutí ovlivňují hoření dřeva. Na celkovém průběhu požáru se podílí množství tepla z hořícího materiálu a dostupnost kyslíku, které ovlivňují samotné hoření. Zvýšený přístup kyslíku a turbulence vedou ke zvýšení rychlosti zuhelnatění.

Obr. 8 – Možné stanovení účinného průřezu dřevěného sloupu ve výšce 1 800 mm při orientovaném požáru, měřeno od paty sloupu, účinný průřez je znázorněn červenou plochou. Autor Ing. Jakub Šejna, katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Fakulta stavební ČVUT v Praze.

Efekt výkonu hořáku a orientace dřevěného prvku k počátku požáru podložený experimenty, jak zkoumal výzkumný tým z katedry ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT ve složení Jakub Šejna, Kamila Cábová a František Wald za pomoci Daniely Šejnové Pitelkové a Petra Hejtmánka z Požární laboratoře UCEEB na tvorbu vrstvy zuhelnatění, je prezentován na předchozích obrázcích.

Vliv výkonu hořáku na teploty dřeva byl zkoumán parametrickou studií, která zdůraznila, že i když se soustředí na jeden parametr, jako je výkon hořáku, nelze ignorovat další faktory, jimiž jsou vlastnosti dřeva, obsah vlhkosti a tepelná setrvačnost. Tyto faktory mají přímý vliv na reakci dřeva při změně teploty.

Možný příklad, jak na základě pravděpodobnostních modelů lze stanovit tvar účinného průřezu při orientovaném požáru, je znázorněn na obrázku 8.

Je nutné poznamenat, že současný výzkum je pouze začátkem a další bádání přirozených či orientovaných požárů je nutné k detailnějšímu popisu vyvíjených pokročilých modelů hoření dřeva tak, aby byly využitelné v rámci požárního inženýrství.

Výzkum zabývající se chováním dřevěných prvků při přirozeném a orientovaném požáru byl podpořen grantem Grantové agentury České republiky GF21-30949K: Zuhelnatění dřeva při plně rozvinutém přirozeném požáru – stochastické modelování.