Požární ochrana oceli dřevem a materiály na bázi dřeva: Shrnutí, diskuse nad výsledky a možnosti použití s ohledem na Požární kodex norem (část 4.)

1. Úvod: paradox, který funguje

V době, kdy požadavky norem a požárních předpisů na odolnost konstrukcí rostou a zároveň tlak na ekonomické i estetické řešení sílí, je hledání alternativ k tradičním systémům pasivní požární ochrany stále aktuálnější. Dražší systémy, jako jsou nástřiky nebo intumescentní nátěry, mají své nesporné výhody, ale nemusí být ekonomicky, ekologicky či technicky vhodné. Proto se nabízí otázka: může běžný stavební materiál, který je levný, snadno dostupný a rychle montovatelný, splnit roli plnohodnotného požárně-ochranného prvku?

Na tuto otázku byla hledána odpověď v rámci víceletého výzkumu GACŘ GA19-22435S „Chování konstrukcí s dřevěnou požární ochranou – multifyzikální modelování“ na Fakultě stavební ČVUT v Praze ve spolupráci s Vysokou školou chemicko-technologickou v Praze, jehož výsledky byly publikovány také ve vědeckém časopise Fire and Materials [1]. Ve výzkumu byly propojeny poznatky z požární zkoušky provedené v horizontální peci podle upraveného průběhu normové teplotní křivky a numerické modelování, zahrnující jak pokročilé simulace dynamiky tekutin (CFD) ve specializovaném požárním řešiči FDS (Fire Dynamics Simulator), tak teplotní analýzy metodou konečných prvků (FE) v programu ANSYS.

Chránit ocelový nosník proti účinkům požáru dřevěným obkladem, který je hořlavý, působí na první pohled jako vtip. Dřevo a materiály na jeho bázi se ve stavebnictví dlouhodobě řadí mezi hořlavé prvky, které je nutné před účinky požáru chránit – nikoli jimi chránit jiné konstrukce. V projektové praxi se proto setkáváme spíše s opačným přístupem: dřevěné obklady se z požárního hlediska omezují, nahrazují nehořlavými variantami nebo se od nich vyžaduje, aby byly samy chráněny protipožárním nátěrem či deskovým systémem.

Přesto se ukazuje, že dřevěný materiál, konkrétně například OSB deska, může v určitých případech fungovat jako efektivní tepelná bariéra. Princip je jednoduchý: OSB deska se při působení vysokých teplot rozkládá, hoří a postupně zanechává vrstvu zuhelnatělého zbytku. Vzniklá zuhelnatělá vrstva má výrazně nižší tepelnou vodivost než původní materiál, a tím omezuje přenos tepla k chráněné oceli. Dokud si obklad zachová svou celistvost, dokáže výrazně zpomalit ohřev ocelového prvku a oddálit okamžik dosažení kritické teploty oceli (zpravidla 500–600 °C), i když dochází k lokálnímu zvýšení teplot na povrchu vlivem hoření ochrany nosníku.

Cílem představeného projektu nebylo jen ověřit, zda OSB obklad skutečně prodlouží dobu požární odolnosti ocelového nosníku, ale také zjistit:

• kolik minut lze tímto způsobem ochranu reálně prodloužit,
• jakou roli hraje tloušťka obkladu a skladba vrstev,
• jaké detaily a slabá místa při instalaci obkladu mohou snížit jeho účinnost
• a zda lze takové řešení obhájit i z hlediska platných norem a požárního kodexu.

Výsledky ukazují, že „paradox ochrany oceli dřevem“ skutečně funguje – ovšem s určitými omezeními, která je nutné při návrhu a realizaci zohlednit.

2. Experimentální část: co a jak bylo měřeno

Základní otázka zněla jednoduše: O kolik minut lze prodloužit požární odolnost ocelového nosníku pomocí OSB obkladu? Aby bylo možné odpovědět jednoznačně a s oporou o měření, bylo nutné provést sérii kontrolovaných laboratorních požárních zkoušek.

Pro hlavní velkorozměrovou zkoušku byla použita standardní horizontální pec pro zkoušení konstrukcí s řízeným průběhem teploty podle standardní požární křivky ISO 834. Tato křivka je v evropských normách základem pro stanovení požární odolnosti konstrukcí (např. EN 1363-1) a poskytuje jasnou a opakovatelnou metodiku.

Do pece byly umístěny ocelové nosníky s uzavřeným čtvercovým průřezem 100/6. Nosníky byly uloženy na nosný rám zkušební pece, aby podmínky působení tepla odpovídaly reálnému fungování nosné konstrukce. V průběhu zkoušky byly detailně měřeny teploty na několika místech každého nosníku a v jejich okolí tak, aby dobře posloužily pro následné analýzy.

U referenčního, nechráněného, nosníku se teplota oceli zvýšila na 500 °C ještě před 10. minutou. To odpovídá běžné zkušenosti, že nechráněná ocelová konstrukce ztrácí významnou část únosnosti během prvních cca 7 minut požáru v závislosti na velikosti průřezu. Jednovrstvý OSB obklad prodloužil tuto dobu na cca 15–30 minut, přičemž odpadnutí obkladu nastalo přibližně kolem 22. minuty. Dvouvrstvý OSB obklad dosáhl nejlepších výsledků – teplota oceli nepřekročila 500 °C až do cca 45 minut od začátku zkoušky. Druhá vrstva obkladu fungovala jako dodatečná bariéra, která převzala ochrannou funkci poté, co první vrstva ztratila soudržnost.

Tyto výsledky poskytly pevný základ pro následné numerické modelování, jehož cílem bylo ověřit, zda lze chování OSB obkladu spolehlivě předpovědět a tím umožnit projektantům navrhovat taková řešení i bez nutnosti provádění fyzické zkoušky.

3. Numerické modelování: co fungovalo a co ne

Fyzické požární zkoušky jsou považovány za nepostradatelné pro ověření chování konstrukce v reálných podmínkách, avšak jejich provedení bývá časově i finančně náročné. Z tohoto důvodu jsou v moderní praxi stále častěji využívány numerické modely, které umožňují simulovat průběh požáru a odhadnout teplotní odezvu konstrukce před realizací experimentu. V rámci výzkumu byly použity dva rozdílné přístupy – CFD simulace v programu FDS a teplotní analýzy metodou konečných prvků – a byly porovnány jejich přínosy i limity.

CFD simulace ve Fire Dynamics Simulatoru (FDS) byly vytvořeny tak, aby bylo možné modelovat proudění horkých plynů, přenos tepla sáláním, prouděním i vedením, a současně definovat teplotně závislé materiálové vlastnosti OSB i oceli. Tím byla umožněna simulace nejen ohřevu ocelového profilu, ale i postupné degradace OSB obkladu v čase. Tento přístup se osvědčil při modelování reálných scénářů požáru, například situace s jednostranným působením plamene. Nevýhodou CFD přístupu zůstává jeho složitost a časová náročnost. Pro dosažení realistických výsledků je vyžadováno velké množství vstupních parametrů, které často nejsou dostupné, dlouhý výpočetní čas a zkušený uživatel. Spolehlivé určení okamžiku mechanického selhání obkladu je navíc v rámci CFD simulací stále problematické.

Paralelně byly sestaveny teplotní a mechanické modely metodou konečných prvků (FE), které simulovaly pouze vedení tepla v OSB a oceli, bez zohlednění proudění či sálání. Tento přístup umožnil pokročilé výpočty a ukázal se jako vhodný pro normové posuzování nejen s využitím ČSN EN 1993-1-2 a ČSN EN 1991-1-2. Variabilita tlouštěk obkladu a zadávání materiálových křivek byla v rámci tohoto přístupu snadno realizovatelná. Nevýhodou však zůstává omezená schopnost zachytit složité přestupy tepla při lokalizovaném požáru, protože způsob tepelného zatížení bývá definováno jako okrajová podmínka.

Při porovnání obou přístupů s výsledky zkoušek v peci bylo zjištěno, že CFD modely vykazovaly velmi dobrou shodu v prvních třiceti minutách zkoušky. FEA modely byly přesnější při odhadu teploty jádra oceli při rovnoměrném ohřevu, a v pokročilých modelech pomohly pochopit i zvýšené vedení tepla při odpadnutí obkladu. Z toho lze vyvodit, že oba přístupy se vhodně doplňují – CFD poskytuje detailní analýzu dynamiky požáru a interakce s konstrukcí, zatímco FEA modely slouží jako efektivní nástroj pro rychlý návrh a posouzení.

4. Praktické dopady na návrh

Výsledky experimentů i numerických modelů jednoznačně potvrzují, že OSB desky dokážou při požáru výrazně zpomalit ohřev ocelové konstrukce. V praxi to znamená prodloužení požární odolnosti o 15 až 30 minut u jednovrstvého obkladu, a až o 45 minut u dvouvrstvé skladby. Takový časový zisk může v mnoha projektech rozhodnout o tom, zda konstrukce splní normové požadavky, nebo ne. Současně však platí, že tato ochrana není univerzální a má svá omezení, se kterými musí projektant počítat.

Základním předpokladem pro účinnou ochranu je správná volba tloušťky a skladby obkladu. Zkoušky prokázaly, že pro znatelný efekt je nutná minimální tloušťka 18 až 22 mm. Vyšší úrovně ochrany lze dosáhnout použitím dvouvrstvého provedení, kdy jsou spáry mezi deskami posunuty tak, aby se minimalizoval přímý průnik horkých plynů. Kotvení obkladu musí být navrženo s ohledem na teplotní namáhání; odpadnutí části OSB totiž vede k okamžitému a prudkému nárůstu teploty oceli. Spáry mezi deskami by měly být co nejmenší, případně vyplněné nehořlavým tmelem, aby se zabránilo proudění horkých plynů k povrchu nosníku.

Dalším faktorem, který ovlivňuje účinnost OSB obkladu, je mechanické zatížení nosníku. I při nižších teplotách může ocel ztratit únosnost, pokud je zatížena blízko své mezní hodnoty. V takových případech nelze spoléhat na OSB obklad jako jedinou formu požární ochrany. Kromě toho je třeba zohlednit dlouhodobé působení vlhkosti. OSB je materiál citlivý na navlhnutí, které může ještě před požárem snížit jeho mechanickou pevnost i soudržnost s konstrukcí. V prostředích s vyšší vlhkostí je proto vhodné kombinovat OSB s jinými deskovými materiály nebo jej opatřit ochrannou vrstvou.

Z hlediska legislativy je třeba připomenout, že OSB v současné době není v českých ani evropských normách uvedeno mezi běžnými materiály pro pasivní požární ochranu ocelových konstrukcí. Jeho použití proto musí být individuálně doloženo – ideálně zkouškou, případně podrobným výpočtem v souladu s ČSN EN 1993-1-2 a ČSN EN 1991-1-2, kde lze využít ověřené materiálové křivky OSB. Pro projektanta to znamená nejen technické posouzení, ale i komunikaci s orgány státní správy či požárními specialisty.

Z praktického pohledu se OSB obklad osvědčí tam, kde je požadavek na krátkodobou ochranu, kde hraje roli rychlost montáže a cena, a kde je možné využít i jeho estetický vzhled. U dočasných konstrukcí nebo během stavebních fází, kdy je potřeba zajistit ochranu jen na omezenou dobu, může být OSB velmi výhodným řešením. Naopak pro trvale exponované konstrukce s požadavkem na odolnost nad 45 minut, nebo v prostředích s vysokou vlhkostí, není tento materiál vhodné používat jako jedinou ochrannou vrstvu.

5. Limity, doporučení na další vývoj a závěr

Ačkoli se OSB obklad ukazuje jako funkční a v řadě případů i velmi efektivní způsob, jak prodloužit požární odolnost oceli, nelze jej vnímat jako univerzální řešení. Hlavním limitem je jeho závislost na celistvosti a stabilitě během požáru. Jakmile se deska mechanicky poruší, praskne nebo odpadne, ztrácí okamžitě svou ochrannou funkci a ocel se začne prudce ohřívat. Tento problém je zvlášť patrný u konstrukcí vystavených silnému proudění horkých plynů, kde se zuhelnatělá vrstva může odlupovat. Dalším omezením je citlivost na vlhkost a dlouhodobé stárnutí, které může už před požárem narušit strukturu OSB. V neposlední řadě je limitem i skutečnost, že použití OSB jako ochrany oceli není v současných normách zaneseno, a vyžaduje tak individuální posouzení a doložení.

Pro širší uplatnění OSB obkladů v požární ochraně by bylo vhodné doplnit současný normový rámec o metodiku, která by tento materiál či další materiály na bázi dřeva zohledňovala. To vyžaduje jednak rozsáhlejší databázi materiálových parametrů OSB při vysokých teplotách, a jednak jednotný postup výpočtu doby, po kterou si deska zachová mechanickou stabilitu. Potenciál se nabízí i v kombinovaných systémech, kde by OSB sloužilo jako vnější vrstva s dobrou mechanickou odolností a estetickou funkcí, zatímco pod ním by byla tenká nehořlavá vrstva zajišťující stabilní ochranu při dlouhodobém požáru. Dalším směrem výzkumu je optimalizace kotvení a spojů, aby si obklad udržel funkčnost co nejdéle. V neposlední řadě by stálo za to ověřit chování OSB ochrany i při reálných scénářích lokalizovaných požárů, které se liší od normové teplotní křivky.

6. Závěr

Výzkum provedený na Fakultě stavební ČVUT v Praze ve spolupráci s Vysokou školou chemicko-technologickou v Praze potvrdil, že OSB desky mohou při správném návrhu a provedení významně prodloužit dobu, po kterou ocelová konstrukce odolá účinkům požáru. Přestože jde o materiál hořlavý, jeho zuhelnatělá vrstva působí jako účinná tepelná izolace, která zpomaluje přenos tepla k oceli. Při dodržení optimální tloušťky, kvalitního kotvení a minimalizace spár lze získat cenné desítky minut, které mohou v kritickém okamžiku rozhodnout o bezpečném evakuování osob a ochraně konstrukce před kolapsem.

Z hlediska praxe může být OSB obklad zajímavou alternativou k tradičním systémům pasivní požární ochrany, zejména tam, kde je důležitá rychlá montáž, nízká cena a krátkodobý požadavek na odolnost. Je však nutné jej navrhovat s vědomím jeho limitů a vždy podložit buď experimentálním ověřením, nebo pečlivým výpočtem. Do budoucna by mohlo začlenění OSB do normativního rámce a vývoj kombinovaných systémů otevřít cestu k širšímu využití tohoto zdánlivě paradoxního, ale v praxi funkčního řešení.

Souvislosti a pokračování

Tento článek představuje základ pro sérii článků na téma požární ochrana oceli OSB obkladem, které se detailněji věnují:

• Část 1 – Historie a základy
• Část 2 – Požární experiment a CFD modely
• Část 3 – FEA modely

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 Numerical 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.

7. Literatura

1. 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.