Velkorozměrová požární zkouška přináší klíčová data pro návrh ocelových hal v praxi

Požární odolnost ocelových konstrukcí patří mezi klíčová témata navrhování konstrukcí. Ocel při zvýšených teplotách rychle ztrácí pevnost a tuhost, což se zásadně promítá do návrhu nosných systémů. Běžné návrhové postupy jsou založeny převážně na zjednodušených modelech a často nezvažují spolupůsobení nosné konstrukce a pláště, přestože tento efekt může významně ovlivnit celkovou stabilitu konstrukce při požáru.

Na tyto výzvy reaguje výzkumný projekt Ocelová hala 4.0 pro trvale udržitelný rozvoj průmyslové výstavby, který propojuje odborníky z akademické sféry i průmyslu. Cílem projektu, na němž spolupracují Fakulta stavební ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze a společnosti PROMSTAL Engineering a Industrial Design & Service, je vývoj nové návrhové metodiky zohledňující příspěvek plášťových systémů ke stabilizaci hal při požáru a softwaru pro jednoduchý návrh halových objektů využívající tuto metodiku. Kromě poznatků o stabilizaci konstrukce pláštěm jsou do softwarového nástroje implementovány i aspekty dopadu budovy na životní prostředí.

Jedním z hlavních milníků projektu byla realizace velkorozměrové požární zkoušky. Ta byla provedena dne 16. 9. 2025 v halovém objektu postaveném v areálu Moravolen v Jeseníku a přinesla jedinečné poznatky využitelné při navrhování a posuzování halových objektů z hlediska požární bezpečnosti. V měřítku České republiky se jedná o experiment ojedinělého rozsahu.

POPIS EXPERIMENTÁLNÍHO OBJEKTU

Experiment byl proveden v jednopodlažní ocelové hale s půdorysnými rozměry 23,68 × 11,70 m a výškou hřebene 7,02 m. Nosný systém haly je tvořen příčnými ocelovými rámy v osové vzdálenosti 6 m (5,68 m), které přenášejí svislá i vodorovná zatížení do základové konstrukce. Nosná konstrukce je navržena z oceli třídy S235JR a S355J0, spojovací prvky jsou jakosti 8.8. Sloupy rámové konstrukce jsou z válcovaných průřezů IPE 400, příčle z průřezu IPE 330. Ve štítových rámech jsou z důvodu nižšího namáhání použity menší průřezy – IPE 330 pro sloupy a IPE 270 pro příčle. Střešní plášť je kotven do Z vaznic, které zajišťují přenos zatížení ze střechy do hlavních rámů. Obvodový i střešní plášť je tvořen trapézovým plechem TR100/275/0,75. Stabilitu haly společně s tuhostí rámů, vaznic a připojeného pláště zajišťují ztužující prvky z kruhových či čtvercových uzavřených průřezů. V obvodovém plášti se nachází manipulační otvor o rozměrech 3 × 4,5 m (obr. 1).

 

Obr. 1 – Experimentální halový objekt s rámovou konstrukcí opláštěný trapézovým plechem.

POŽÁRNÍ SCÉNÁŘ A MECHANICKÉ ZATÍŽENÍ

Uvnitř haly byl připraven lokální požár, který představuje v provozu halových objektů jeden z nejčastějších požárních scénářů. Požární zatížení tvořené ze 4 m³ latí smrkového dřeva bylo vyskládáno do hranice na půdorysné ploše 7 m2 a výšky 1,5 m, umístěné ve vzdálenosti 0,75 m od pláště objektu (obr. 2). Poloha zdroje hoření byla zvolena s ohledem na maximalizaci sálavého přenosu tepla na prvky nosného rámu (sloup a navazující příčel) a s cílem vyvodit nerovnoměrné ohřátí konstrukce. Celkem bylo použito 1 200 hranolů smrkového dřeva o rozměrech 50 × 50 × 1 000 mm s maximální vlhkostí 12,8 % (měřeno před zahájením experimentu). Mezi hranoly byly vytvořeny vzduchové mezery o šířce 10 cm, tedy dvojnásobku tloušťky latě. Toto uspořádání s vysokým poměrem vzduchu k množství paliva podporuje intenzivní hoření a rychlý rozvoj požáru.

Obr. 2 – Schéma objektu s vyznačenou polohou požáru.

Zapálení hranice bylo provedeno pomocí korýtka z U-profilu vyplněného čedičovou vatou politou petrolejem. Po zapálení došlo k postupnému rozvoji požáru a rychlému nárůstu teplot v okolí ohniska. Ventilační otvor o rozměrech 3 × 4,5 m zůstal po celou dobu zkoušky otevřen, čímž byl zajištěn dostatečný přívod vzduchu.

Současně s působením požáru byl shodný rám zatížen vodorovnou silou 15 kN působící v hlavě sloupu. Aplikace tohoto zatížení simulující účinek větru na konstrukci je vidět na obr. 3.

Průběh experimentu byl zaznamenán snímači v 56 měřicích bodech – 12 plášťových termočlánků typu K průměru 2 mm pro měření teploty plynu, 24 kabelových termočlánků typu K průměru 0,5 mm a devíti deskových snímačů teploty pro měření adiabatické teploty konstrukce. Rozmístění snímačů bylo navrženo tak, aby poskytlo dostatečné množství dat pro validaci numerických modelů. K zaznamenání deformací a posunů konstrukce bylo použito 11 strunových potenciometrů. Všechny snímače byly propojeny pomocí více než 1 200 metrů kabeláže do tří měřicích ústředen. K záznamu experimentu byla dále využita speciální vodou chlazená termokamera vyvinutá na Fakultě bezpečnostního inženýrství VŠB-Technické univerzitě Ostrava a drony s termovizí obsluhované odborníky z řad GŘ HZS ČR, díky kterým byly pořízeny jedinečné záznamy (obr. 3).

 

Obr. 3 – Záznam teplot z dronů z termokamery.

PRŮBĚH ZKOUŠKY A POZOROVANÉ CHOVÁNÍ KONSTRUKCE

Krátce po zapálení požárního zatížení došlo k rychlému rozvoji požáru, tvorbě kouře a jeho hromadění pod střešní konstrukcí. Intenzita hoření se postupně zvyšovala a během několika minut dosáhly plameny úrovně střechy. V blízkosti ohniska byly pozorovány lokální deformace tenkostěnných prvků – Z-vaznic, ztužidel a trapézového plechu (obr. 4). V plně rozvinuté fázi požáru byla zaznamenána globální deformace rámu v podobě jeho náklonu vyvolaného kombinací teplotního zatížení a působící vodorovné síly. Po vychladnutí se prvky hlavní nosné konstrukce vrátily do původní polohy. Požárem zůstaly viditelně porušeny pouze subtilní prvky (Z vaznice či některé ztužující prvky) a plášť konstrukce v blízkosti zdroje hoření.

Obr. 4 – Deformace subtilních prvků konstrukce při požární zkoušce.

Nejvyšší naměřené teploty na sloupu nejblíže požáru se pohybovaly v rozmezí 550–730 °C, teplota příčle nad ohniskem dosáhla hodnot v rozmezí 630–900 °C. Nejvyšší naměřené teploty plynné fáze se pohybovaly okolo 1 100 °C. Na obr. 5 jsou vidět naměřené teploty plynu pod vrcholem konstrukce. Číselné značení rámů odpovídá obr. 2. Z křivek je zřejmé, že nejvyšší teplota nebyla naměřena přímo nad osou požáru, tedy pod rámem 4, ale pod střešní konstrukcí směrem k ventilačnímu otvoru, kam směřovalo proudění horkých podstropních plynů. Obr. 6 ukazuje teploty konstrukce naměřené pomocí deskových snímačů teploty na sloupu a příčli rámu 4 a na obvodovém a střešním plášti mezi rámy 4 a 3. Deskové snímače teploty díky své konstrukci a orientaci směrem k požáru zachycují vyšší podíl sálavého tepelného toku a jsou tak schopné naměřit vyšší teploty než termočlánky plášťové.

Po skončení hlavní fáze experimentu dostali příležitost také profesionální hasiči HZS Olomouckého kraje, stanice Jeseník, kteří na místě provedli cvičný zásah. Chlazení vodou je vidět i v průběhu teplot na obr. 6 a 7 před 40. minutou zkoušky.

Ocelová konstrukce si po celou dobu zkoušky zachovala stabilitu a dostatečnou únosnost díky spolupůsobení rámové konstrukce a plášťového systému z trapézových plechů. I když hlavní nosná konstrukce po požáru nevykazuje žádné známky porušení ani viditelných deformací, její zbytkové mechanické vlastnosti jsou však dále ověřovány laboratorními zkouškami.

OD EXPERIMENTU K NOVÝM POSTUPŮM
PRO PRAXI

V současnosti probíhá validace numerických modelů na základě naměřených dat z požární zkoušky. Tato data představují základ rovněž pro vývoj návrhové metodiky, která dokáže popsat chování ocelové haly při požáru přesněji, a to právě díky zohlednění vlivu interakce nosné konstrukce s pláštěm budovy. Součástí výzkumu jsou proto i laboratorní zkoušky smykové únosnosti a tuhosti spojů trapézového plechu k Z-vaznici při zvýšených teplotách.

Paralelně probíhá práce na vývoji specializovaného softwaru, který má návrhové postupy zjednodušit a zpřesnit. Program bude umožňovat statikům a projektantům zohlednit při návrhu konstrukce nejen běžná zatížení, ale i stabilizační účinek pláště při požáru. Díky tomu se návrhy ocelových hal stanou efektivnějšími, přesnějšími a ekonomičtějšími, přičemž bude zachována jejich úroveň požární bezpečnosti.

Výzkum se zároveň zaměřuje na otázku udržitelnosti a opětovného využití ocelových konstrukcí, které byly vystaveny vysokým teplotám. Při běžných prohlídkách konstrukcí po požáru se totiž často odstraňuje více částí, než je skutečně nutné, protože chybí spolehlivé podklady o jejich zbytkové únosnosti. Tím dochází nejen ke zbytečným materiálovým a finančním ztrátám, ale i ke zvýšené ekologické zátěži spojené s výrobou a dopravou nových ocelových prvků. Cílem týmu je tyto hranice posunout dál – nahradit odhad měřením, přinést přesné údaje o chování oceli po požáru a umožnit, aby se konstrukce mohla po odborném posouzení znovu bezpečně využít.

 

Obr. 5 – Průběh teplot plynu pod vrcholem haly.

Obr. 6 – Průběh teplot konstrukce na rámu 4 a na plášti mezi vazbou 4 a 3.

ZÁVĚR

Projekt Ocelová hala 4.0 ukazuje, že moderní ocelové konstrukce mohou být nejen odolné, ale i materiálově efektivní a šetrné k životnímu prostředí. Velkorozměrová požární zkouška poskytla unikátní experimentální data o chování ocelové haly při požáru. Výsledky potvrzují významný vliv pláště na stabilitu nosného systému a vytvářejí základ pro vývoj nové návrhové metodiky a softwarového nástroje.

PODĚKOVÁNÍ

Projekt CZ.01.01.01/01/22_002/0000910 Ocelová hala 4.0 pro trvale udržitelný rozvoj průmyslové výstavby je financován z Operačního programu Technologie a aplikace pro konkurenceschopnost MPO ČR a Evropskou unií.