Požární ochrana oceli dřevem a materiály na bázi dřeva: Historie a základy (část 1.)
Přehrát audio verzi
Požární ochrana oceli dřevem a materiály na bázi dřeva: Historie a základy (část 1.)
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Tento článek se zabývá problematikou pasivní požární ochrany ocelových konstrukcí pomocí deskových materiálů na bázi dřeva, konkrétně OSB desek. Ocel je sice nehořlavý materiál, avšak při teplotách nad 400–600 °C rychle ztrácí své mechanické vlastnosti a vyžaduje účinnou ochranu před požárem. Studie ukazuje, že dřevěné obklady, ač samy podléhají hoření, mohou díky tvorbě zuhelnatělé vrstvy paradoxně zpomalit ohřev oceli a prodloužit dobu její odolnosti vůči požáru. V rámci experimentu byly testovány nosníky s různým typem OSB obkladu a výsledky prokázaly, že vícevrstvé opláštění zvyšuje požární odolnost o desítky minut oproti nosníku nechráněnému. Tyto poznatky byly dále ověřeny numerickým modelováním (CFD a FE analýzou), které umožnilo detailně popsat přenos tepla, proces pyrolýzy i mechanickou odezvu. Studie přináší metodický základ pro návrh a posouzení dřevěného opláštění jako alternativního systému požární ochrany ocelových prvků, s důrazem na bezpečnost, architekturu a udržitelnost.
1. Úvod
Požární odolnost konstrukcí patří k základním bezpečnostním požadavkům na stavby. Jejím cílem je zachovat stabilitu objektu během požáru, umožnit evakuaci osob a zamezit šíření požáru do okolí. Navrhování konstrukcí z hlediska požární bezpečnosti vychází z národních (ČSN 7308xx) i evropských (ČSN EN 199x-1-2 – Eurokódy) norem, které definují metodiku posuzování a požadavky na jednotlivé materiály.
Ocel patří mezi standardní materiály pro nosné konstrukce, avšak při požáru vykazuje zásadní nevýhodu – při teplotách nad 400 °C rychle ztrácí únosnost a musí být chráněna před tepelným zatížením [1, 2]. Standardně se k ochraně ocelových prvků využívají požární nátěry, obklady nebo nástřiky, které omezují přestup tepla. Méně obvyklým, ale technicky zajímavým řešením je pak ochrana oceli pomocí dřevěného obkladu. Přestože dřevo samo podléhá tepelné degradaci a může přispívat k rozvoji požáru, při správném návrhu tloušťky a upevnění může paradoxně posloužit jako účinná požární ochrana. Dřevo a ocel se totiž při požáru chovají zcela odlišně a vyžadují specifický přístup. U dřeva je klíčový proces pyrolýzy – vznik zuhelnatělé vrstvy, která funguje jako tepelná izolace, zpomalující další degradaci a ohřev ocelového jádra [1]. Výsledkem je nejen funkční ochrana oceli, ale také architektonický i ekologický přínos [2]. Článek se proto zaměřuje právě na tento méně tradiční přístup možnosti pasivní ochrany dřevem.
Dřevo jako stavební materiál má dlouhou tradici a lidé se už od středověku snažili zvýšit jeho odolnost vůči požáru, například pomocí nátěrů z volské krve nebo jiných přírodních látek. Ocel, která se ve stavebnictví začala ve velkém měřítku využívat až v 19. století, vyžadovala od počátku dodatečnou ochranu proti vysokým teplotám. Ta se postupně vyvinula v komplexní systémy pasivní požární ochrany. Dnešní řešení tak hledají rovnováhu mezi funkčností, estetikou, bezpečností a udržitelností.
S rostoucími požadavky na bezpečnost staveb a hlubším porozuměním materiálovým vlastnostem se rozvíjely i přístupy k hodnocení chování konstrukcí při požáru. Modelování materiálů při vysokých teplotách dnes tvoří samostatnou vědeckou disciplínu, přičemž dřevo představuje jednu z největších výzev tohoto odvětví. Na rozdíl od velké části ostatních materiálů je u dřeva nutné sledovat nejen postupné odhořívání, ale i změny ve struktuře, vznik zuhelnatělého zbytku a odpařování těkavých látek. Výpočtové metody, jako je metoda redukovaného průřezu nebo přírůstková metoda [3, 4], umožňují zohlednit složitější průběhy teplotního zatížení. Tyto přístupy lze dále rozšířit pomocí pokročilých numerických simulací, například metodou konečných prvků (MKP – Metoda Konečných Prvků, anglicky FEA – Finite Element Analysis), která umožňuje podrobně analyzovat teplotní pole a mechanickou odezvu konstrukcí.
Návrh pasivní požární ochrany ocelových konstrukcí se opírá o dobře popsané materiálové charakteristiky, především o známý pokles pevnosti a pokles modulu pružnosti v závislosti na teplotě. S rostoucí teplotou se mechanické vlastnosti oceli dramaticky zhoršují, a proto je pro správné posouzení konstrukce zásadní časově závislá podrobná analýza. Tato analýza umožňuje předpovídat rychlost ohřevu konstrukce, rozvoj deformací a odhadnout okamžik, kdy může dojít k překročení únosnosti nebo k celkovému selhání ocelového prvku. V tomto kontextu hraje zásadní roli přenos tepla mezi jednotlivými vrstvami systému, tedy mezi dřevěným obkladem a ocelí, a také kvalita mechanického spojení mezi nimi. Nedostatečné kotvení nebo vznik vzduchových mezer mohou významně snížit účinnost ochrany, protože umožňují rychlejší prostup tepla, možný prostup plamene přímo na prvek a lokální přehřátí oceli.
Prvním krokem návrhu ochranného systému je obvykle stanovení požadované požární odolnosti, např. R30, R60 (kde „R“ znamená únosnost konstrukce během požáru a číslo požadovanou požární odolnost v minutách). Na tuto hodnotu pak navazuje výpočet součinitele průřezu Am/V, což je poměr mezi plochou povrchu ocelového profilu vystavenou požáru a jeho objemem. Tento parametr výrazně ovlivňuje rychlost ohřevu konstrukce – čím vyšších hodnot nabývá, tím rychleji teplota v oceli stoupá a tím větší nároky jsou kladeny na dobu účinnosti tepelné ochrany. U otevřených profilů, jako jsou IPE nebo HEA nosníky vystavené požáru ze tří stran, může Am/V snadno přesáhnout 300 m−1, což představuje extrémně náročné podmínky z hlediska požárního návrhu (více rozepsáno v části Postup návrhu deskového obkladu ocelové konstrukce). Právě v těchto případech se uplatní vícevrstvý nebo kombinovaný ochranný systém, který účinně zpomaluje ohřev a poskytuje konstrukci potřebnou časovou rezervu pro evakuaci osob i pro zásah hasičů. Pro nové nebo netradiční, zejména hybridní skladby, kde se kromě oceli uplatňuje i materiál s komplikovaným chováním při požáru (např. dřevo či polymery), již nestačí jednoduché normové výpočty a je vhodné využít pokročilé numerické simulace vedení tepla ve specializovaných programech, jako je např. ANSYS.
Celkově tak návrh dřevěného ochranného obkladu pro ocelový prvek není jednoduchým rozhodnutím, ale komplexním technickým úkolem, který propojuje znalosti z oblasti materiálového inženýrství, přenosu energie ale i statiky. Pokud je však ochrana s pomocí matematického modelu správně zvolená a provedená, dokáže zajistit požadovanou úroveň bezpečnosti i při náročných provozních podmínkách.
2. Pasivní požární ochrana ocelových konstrukcí obkladem
Ocel je nehořlavý materiál, její mechanické vlastnosti však při zvýšené teplotě velmi rychle degradují. Již kolem 500 °C klesá mez pevnosti o přibližně čtvrtinu a při 600 °C dochází k poklesu modulu pružnosti na třetinu původní hodnoty a poklesu meze kluzu na více než polovinu. Z tohoto důvodu je ochrana ocelových konstrukcí před požárem zásadní součástí požárního návrhu budov.
Pasivní požární ochrana představuje systém, který nevyžaduje aktivaci – funguje samovolně, bez nutnosti zásahu člověka či technologie. Jejím cílem je vytvořit bariéru, která zpomaluje ohřev konstrukce a prodlužuje čas do dosažení kritické teploty. V případě oceli to znamená udržet jádro profilu v přijatelných teplotách po dobu, po kterou musí prvek zůstat nosný podle požárních předpisů – obvykle 30 až 120 minut (rovněž v závislosti na mechanickém zatížení konstrukce).
Z hlediska aplikace se pasivní ochrana dělí na několik základních skupin, viz Obr. 1:
- Deskové opláštění, které poskytuje mechanicky odolnou, fyzickou bariéru s nízkou tepelnou vodivostí;
- Intumescentní (zpěňující) nátěry, které při zahřátí expandují a vytvářejí izolační pěnovou vrstvu;
- Stříkané nástřiky, často na bázi sádry nebo cementu, které vytvářejí silnou ochrannou vrstvu na větších plochách.
Obr. 1: Znázornění principu pasivní ochrany
Každý z těchto systémů má své výhody, omezení a specifické požadavky na použití. Jejich volba závisí na tvaru profilu, požadované době požární odolnosti, prostředí, ve kterém se konstrukce nachází, i architektonických a ekonomických aspektech. Výhody a nevýhody těchto systému jsou uvedeny v Tab. 1.
| Systém ochrany | Výhody | Nevýhody |
|---|---|---|
| Dřevěný obklad |
|
|
| Nehořlavý obklad |
|
|
| Nátěr |
|
|
| Nástřik |
|
|
V architektonicky výrazných nebo ekologicky orientovaných stavbách se stále častěji uplatňuje opláštění z přírodních nebo recyklovatelných materiálů, které zároveň plní funkci pasivní požární ochrany. Tradičně se pro ochranu ocelových konstrukcí používají cementovláknité nebo sádrovláknité desky, nicméně atraktivní alternativou může být právě dřevěný obklad. Materiály jako OSB, CLT nebo vrstvené masivní dřevo přinášejí nejen výraznou estetickou a ekologickou hodnotu, ale také překvapivě účinnou tepelnou ochranu díky schopnosti tvořit zuhelnatělou vrstvu.
Účinnost dřevěného obkladu jako ochranné vrstvy je však podmíněna kvalitním konstrukčním návrhem. Klíčová je především pozornost věnovaná detailům – správnému kotvení, vrstvení materiálu, těsnosti spár a celkové mechanické stabilitě systému. Nedostatečné provedení může při požáru vést k předčasnému odpadnutí obkladu nebo k průnikům plamene, čímž se jeho ochranná funkce zásadně snižuje.
Z hlediska návrhu se jako výhodnější ukazuje použití vícevrstvých skladeb – například dvou vrstev o tloušťce 15 mm namísto jedné 30mm desky. Tato skladba lépe reaguje na teplotní namáhání, snižuje riziko deformací a vzniku souvislých trhlin, a tím zvyšuje celkovou celistvost systému. Navíc, pokud dojde k lokálnímu selhání nebo odpadnutí jedné vrstvy v důsledku požáru či mechanického poškození, druhá vrstva nadále poskytuje alespoň částečnou ochranu – čímž se zachovává základní funkčnost systému. Tento přístup je běžný u řešení s vyšší požární odolností.
V některých případech lze dřevěné obklady doplnit o další prvky ochrany, například kombinací s intumescentními (zpěňujícími) nátěry. Tyto nátěry jsou vhodné zejména pro komplikované detaily nebo prostory, kde není možné použít klasické deskové opláštění bez výrazného zásahu do geometrie konstrukce. Kombinací různých přístupů lze navrhnout systém, který splňuje nejen požadavky na požární bezpečnost, ale také vysoké nároky na architektonický výraz, udržitelnost a provozní spolehlivost.
3. Historie výzkumu požární ochrany ocelových prvků dřevěným obkladem
Myšlenka chránit ocel dřevem může na první pohled znít paradoxně. Ocel je přece nehořlavá, zatímco dřevo patří mezi hořlavé materiály. Přesto se už v 70. letech ukázalo, že tento přístup může mít své opodstatnění. V roce 1974 nizozemští vědci Twilt a Witteveen [5] publikovali studii, která se dnes označuje za průlomovou. Zjistili, že i relativně tenký obklad z měkkého dřeva – tloušťky pouhých 35 mm, dokáže ochránit ocelový nosník natolik, že jeho požární odolnost vzroste až na 60 minut. Přitom samotný nechráněný profil ztratil únosnost prakticky okamžitě. Tento objev byl překvapivý, protože poprvé ukázal, že dřevo, i když samo podléhá hoření, se díky svým izolačním vlastnostem může chovat jako účinný ochranný materiál. Klíčem je právě to, že povrchová vrstva dřeva při požáru zuhelnatí, a vzniklá zuhelnatělá část významně zpomaluje další prostup tepla.Na tuto myšlenku navázaly v následujících desetiletích desítky experimentů a výpočtů, které ji postupně rozvíjely [3–8]. Vědci zkoumali různé tvary profilů, od klasických I nosníků po složitější svařované prvky, a různé způsoby opláštění. Ukázalo se, že i částečné zakrytí profilu má měřitelný efekt: teplota oceli roste pomaleji a doba, po kterou si konstrukce zachová jpožární odolnost, se znatelně prodlužuje. Tento jev je dobře patrný i na výsledcích simulací, které ukazují, že dřevěný obklad způsobuje nerovnoměrné rozložení teploty v profilu. Některé části oceli zůstávají déle chladnější, což zpožďuje okamžik dosažení kritické teploty. Příklady možných geometrií opláštění ocelových prvků ukazuje Obr. 2, kde jsou zachyceny různé varianty částečného i úplného obkladu.
Velký posun přinesly moderní numerické modely, které dokázaly simulovat nejen prostý přenos tepla mezi dřevem a ocelí, ale i samotný proces zuhelnatění. Díky tomu bylo možné sledovat, jak se při požáru mění tepelná vodivost dřeva, jak vzniká izolační vrstva a jak tyto faktory společně ovlivňují rychlost zahřívání oceli. Z těchto modelů vyplynulo, že během požáru dochází k přechodu od téměř rovnoměrného ohřevu k asymetric-kému režimu. Jinými slovy, některé části profilu zůstávají výrazně chladnější, zatímco jiné se zahřívají rychleji. Tento efekt má zásadní význam pro návrh konstrukcí, protože mechanická únosnost oceli není určována jen její průměrnou teplotou, ale často právě nejvíce namáhanými místy.
Zájem o využití dřevěných obkladů se v posledních letech posunul také směrem k deskovým materiálům, zejména OSB deskám. Ty se v praxi používají nejen díky své dostupnosti a snadnému opracování, ale i díky dobrým mechanickým vlastnostem. Experimenty ukázaly, že i desky o tloušťce mezi 12 a 25 mm dokážou při správném upevnění oddálit dosažení vysoké teploty oceli o desítky minut [6–10]. V labora-torních podmínkách, například ve zmenšených pecích, byly ocelové profily opláštěny OSB deskami a vystaveny požárnímu zatížení dle normových podmínek. Naměřené teplotní křivky pak sloužily k určení klíčových parametrů, jako je tepelná vodivost zuhelnatělé vrstvy nebo účinnost přenosu sálání. Tato data posloužila pro kalibraci numerických modelů, které následně umožnily předpovídat nejen teplotní průběhy, ale i deformace a způsob selhání chráněné konstrukce.
Výzkum ale ukazuje i na omezení. Největší výzvou zůstává dlouhodobá spolehlivost obkladu, zejména to, co se stane, když se dřevo při požáru mechanicky poruší, praskne nebo odpadne. V takovém případě se ocel okamžitě začne ohřívat plnou rychlostí, což může vést k rychlému selhání. Proto se v poslední době výzkum zaměřuje nejen na samotný izolační efekt, ale i na způsoby upevnění obkladu a možnosti predikce těchto scénářů v numerických modelech.
Souhrnně lze říci, že dřevo už dnes není vnímáno jen jako hořlavý materiál, který je třeba chránit, ale i jako prvek, který může chránit jiné konstrukce. Od prvních pokusů v 70. letech, přes systematické experimenty a simulace v 90. letech, až po dnešní sofistikované modely a praktické testy OSB obkladů, se tento přístup vyvinul v seriózní alternativu k tradičním metodám pasivní požární ochrany. Pokud se podaří vyřešit otázky spojené s mechanickou integritou a spolehlivostí v čase, může se dřevo stát zajímavým řešením zejména pro konstrukce, kde se propojují požadavky na bezpečnost, estetiku a udržitelnost.
![Obr. 2: Příklady různých geometrií ochrany ocelových profilů (černá) pomocí dřevěného obkladu, zdroj [6–8]](/docu/clanky/0290/029077o3.png)
Obr. 2: Příklady různých geometrií ochrany ocelových profilů (černá) pomocí dřevěného obkladu, zdroj [6–8]
4. Postup návrhu deskového obkladu ocelové konstrukce
Celý návrhový proces lze rozdělit do sedmi hlavních kroků, které tvoří páteř technického uvažování od požárního scénáře až po finální dokumentaci. Tento systematický přístup je zachycen na diagramu (Obr. 3), který je autory tohoto článku doporučován jako metodická pomůcka při návrhu ochranného obkladu.
Obr. 3: Diagram pro návrh deskového obkladu ocelové konstrukce
5. Shrnutí s důrazem na obklad
Ocelové konstrukce jsou často využívané z důvodu výhodného poměru jejich hmotnosti a únosnosti. Při požáru však mají jednu zásadní slabinu – s rostoucí teplotou velmi rychle ztrácejí jejich únosnost. Proto je nezbytné je chránit vhodným systémem. Z pohledu dlouhodobé spolehlivosti se jeví nejlepším řešením obklady, které navíc dokážou nabídnout i další přidané hodnoty – akustickou pohodu, mechanickou odolnost nebo atraktivní vzhled. Dřevěné obklady jsou pak ideální volbou tam, kde architekti pracují s přírodními materiály a kladou důraz na estetiku i udržitelnost. Jejich výhodou je také to, že poskytují ochranu i v případě, kdy dojde k částečnému poškození.
Naopak nátěry se hodí tam, kde je důležitá štíhlost konstrukce. Je ale potřeba počítat s tím, že vyžadují velmi pečlivé podmínky nanášení a častější kontrolu v průběhu životnosti. Nástřiky pak najdou své místo především tam, kde je prioritou co nejvyšší požární odolnost a na vzhledu tolik nezáleží – typicky v technických prostorech nebo v průmyslových halách. Volba systému by měla být výsledkem vyváženého rozhodnutí mezi bezpečností, estetikou, údržbou a ekologickou stopou. Dřevěné obklady přitom nabízejí ojedinělou kombinaci funkčnosti a udržitelnosti, což je činí zajímavou alternativou pro současné stavebnictví zaměřené na nízkou uhlíkovou stopu a kvalitní architekturu.
V případě volby méně obvyklých či tzv. hybridních skladeb nebo nových materiálů pro požární ochranu, přestává být návrh požárně odolného systémujednoduchý jako v případě nechráněného prvku. V takových případech nestačí vycházet z tabulek nebo jednoduchých výpočtů. K ověření správné funkce návrhu je nutné využít požární zkoušky nebo pokročilé počítačové modely. Této problematicese podrobněji věnují následující části článku.
Souvislosti a pokračování
Tento článek představuje základ pro sérii článků na téma požární ochrana oceli OSB obkladem, které se detailněji věnují:
- Část 2 – Požární experiment a CFD modely
- Část 3 – FEA modely tepelné a mechanické analýzy chráněného ocelového nosníku
- Část 4 – Diskuse nad výsledky a možnosti použití s ohledem na Požární kodex norem
Cílem celé série je seznámit s možnostmi využití OSB jako plnohodnotného ochranného materiálu a s metodikou návrhu, která by mohla být v budoucnu využita při certifikaci nebo návrh ochrany ocelových prvků dřevěnými deskami.
Prohlášení o původu výsledků
Vybrané výsledky, metody a závěry uvedené v tomto článku byly již publikovány v odborném časopise Fire and Materials:
- Šejna, J. et. al. (2025). Fire Protection of Steel Beam by OSB Claddings—A Fire Experiment and Nume-rical Models. Fire and Materials. https://doi.org/10.1002/fam.3260
Zároveň jsou výsledky součástí disertační práce Ing. Jakuba Šejny, obhájené na Fakultě stavební ČVUT v Praze v roce 2025, s názvem Požární ochrana ocelových konstrukcí pomocí dřeva a materiálů na bázi dřeva.
5. Literatura
- ŠEJNA, J., ŠULC, S. a WALD, F., 2023. Fire Protection of Steel and Concrete Structures by Alkali-Activated Cement – Adhesion and Fire Experiment. In: Architecture and Sustainable Development 22. Prague: CTU FCE, s. 123–132. ISBN 978-80-01-07071-0.
- ŠEJNA, J. et al., 2025. Fire Protection of Steel Beam by OSB Claddings—A Fire Experiment and Numerical Models. Fire and Materials. ISSN 0308-0501. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/fam.3260.
- EN 1993-1-2, 2005. Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design. EU: The European Union per Regulation.
- EN 1995-1-2, 2004. Eurocode 5: Design of timber structures – Part 1-2: General – Structural fire design. EU: The European Union per Regulation.
- TWILT, L. a WITTEVEEN, J., 1974. The fire resistance of wood-clad steel columns. Fire Prevention Science and Technology, s. 14–20.
- BÉREYZIAT, A., AUDEBERT, M., DURIF, S., BOUCHAÏR, A., SI LARBI, A. et al., 2020. Fire Protection of Steel Beams by Timber: Thermomechanical Analysis. In: Structures in Fire. Cham: Springer International Publishing, s. 397–403. ISBN 978-3-030-41234-0. Dostupné z:
https://doi.org/10.1007/978-3-030-41235-7_58. - BÉREYZIAT, A., DHIMA, D., DURIF, S., AUDEBERT, M., BOUCHAÏR, A. et al., 2024. Fire Tests on Steel–Timber Composite Beams. Fire Technology, s. 20. ISSN 0015-2684. Dostupné z: https://doi.org/10.1007/s10694-023-01536-y.
- LE, T.D.H. a TSAI, M.T., 2019. Experimental Assessment of the Fire Resistance Mechanisms of Timber–Steel Composites. Materials, 12(23). ISSN 1996-1944. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/ma12234003.
- ŠEJNA, J., ŠULC, S., CÁBOVÁ, K. a WALD, F., 2022. Mechanical Analysis of Steel Beam Protected by OSB. In: Proceedings of Engineering Mechanics 2022, Vol. 27/28.
- ŠULC, S., ŠEJNA, J., ŠMILAUER, V. a WALD, F., 2022. Steel elements with timber fire protection – experiment and numerical analysis. Acta Polytechnica CTU Proceedings, 34. ISSN 2336-5382. Dostupné z:
https://doi.org/10.14311/APP.2022.34.0116. - ŠEJNA, J., 2021. Small Furnace Experiments for Wood Burning Pyrolysis Models. Civil Engineering Research Journal, 12(3). ISSN 2575-8950. Dostupné z: https://doi.org/10.19080/CERJ.2021.12.555838.
This article addresses the issue of passive fire protection of steel structures using wood-based board materials, specifically OSB panels. Although steel is non-combustible, it rapidly loses its mechanical properties at temperatures above 400–600 °C and therefore requires effective fire protection. The study demonstrates that timber claddings, despite being combustible, can paradoxically slow down steel heating and extend load-bearing capacity due to the formation of a charred layer. In the experiment, beams with different OSB claddings were tested, showing that multi-layer systems can increase fire resistance by several tens of minutes. These findings were further validated by numerical modeling (CFD and FE analyses), enabling a detailed description of heat transfer, pyrolysis processes, and structural response. The study provides a methodological basis for the design and assessment of timber claddings as an alternative fire protection system for steel members, emphasizing safety, architectural integration, and sustainability.