Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Požárně nebezpečný prostor rohových oken

Ing. arch. at Bc. Petr Hejtmánek, Ph.D., Ing. Daniela Pitelková

Recenzovaný

Článek představuje stav, ke kterému právě u vnějších rohových požárně otevřených ploch dochází. Součástí článku je geometrická metoda, s jejíž pomocí je možné přesněji vykreslit výsledný tvar požárně nebezpečného prostoru, aniž by došlo k podcenění nebo předimenzování odstupových vzdáleností posuzovaného objektu.

Jednou z nejzásadnějších kapitol požárně bezpečnostního řešení je stanovení odstupových, případně bezpečnostních vzdáleností a vymezení požárně nebezpečného prostoru (PNP). Požárně nebezpečné prostory vymezují plochy v okolí posuzovaného objektu, ve kterých může dojít k šíření požáru. Požárně nebezpečné prostory jsou určeny odstupovými vzdálenostmi d, které jsou v českých technických normách (ČSN 73 08xx) řešeny dvěma způsoby – zjednodušeným přístupem pomocí tabulek a zpřesněným výpočtem z hlediska sálání tepla. Stanovení je řešeno pro přímé plochy. Je možné do jedné plochy promítnout i přilehlé předsazené či odsazené stěny, ovšem toto provedení je limitováno. V dnešní době jsou vystavovány budovy různých tvarů s různým rozložením požárně otevřených ploch (oken, dveří apod.). Typickým příkladem u objektů pro bydlení a ubytování je návrh prosklených ploch v rozích objektů. Řešení těchto specifických rozložení požárně otevřených ploch není v českých technických normách popsáno. Zhodnocení je možné provést požárně inženýrským přístupem – použitím např. CFD modelů. Řešení je ovšem omezené výpočetní technikou, která má vliv na rychlost výpočtu. Praxe je proto přikloněná k použití běžně dostupných velmi rychlých normových metod – tedy stanovení tabulkovou metodou či zpřesněným výpočtem z hlediska sálání tepla.

1. Úvod

Kolem hořícího objektu vzniká požárně nebezpečný prostor, který je vymezen odstupovými vzdálenostmi. V těchto prostorech může dojít k přenesení požáru sáláním tepla nebo padáním hořících částí objektu. V dnešní době jsou nejčastěji řešeny problémy s odstupovými vzdálenostmi v hustě zastavěné oblasti. S novými objekty vznikají nové požárně nebezpečné prostory, které nesmí zasahovat do již vystavěných budov. Dále jsou navrhovány objekty na velmi malém pozemku, popřípadě jsou umístěny v blízkosti hranic pozemků investora. Požárně nebezpečný prostor dle českých technických norem (ČSN 73 0802 [1] a ČSN 73 0804 [2]) může zasahovat do veřejného prostranství. Zásah těchto prostor na sousední soukromý pozemek není vždy povolený.

Z hlediska sdílení tepla je pro odstupové vzdálenosti klíčová radiace – tedy sálání tepla. Radiace je popsána Stefan-Boltzmannovým zákonem. V požární praxi je tento zákon vyjadřován rovnicí hustoty tepelného toku sáláním [3, 4]:

(1) [kW‧m⁻²]

kde je

σ: Stefan-Boltzmannova konstanta, σ = 5,67∙10⁻⁸ [W∙m⁻²∙K⁻⁴]
ε: emisivita [–]
ϕ: polohový faktor [–]
T_N: teplota hořících plynů [°C]
T₀: počáteční teplota [°C]

Do výpočtu hustoty tepelného toku vstupuje teplota hořících plynů, které je dosaženo při požáru požárního úseku. Teplotu lze určit různými způsoby. Pro nevýrobní objekty je vyjádřeno výpočtovým požárním zatížením, pro výrobní ekvivalentní dobou trvání požáru. Výpočtové požární zatížení a ekvivalentní doba trvání požáru jsou srovnatelné hodnoty a stanovují časový údaj v minutách, který slouží ke zjištění maximálního nárůstu teploty uvnitř požárního úseku. Teplota pro daný čas je stanovena na základě normové teplotní křivky ISO 834 [1, 5].

Největší vliv na výslednou hustotu tepelného toku má kromě teploty hořících plynů polohový faktor, který určuje část celkového sálavého tepla vycházejícího ze zdroje, jež dopadá na danou přijímací plochu. Hodnota tohoto faktoru závisí na velikosti sálavé plochy a na vzdálenosti přijímací plochy od zdroje sálání. Důležitá je vzájemná orientace vysílací a přijímací plochy. Obecný vztah je popsán rovnicí (2) [5].

(2)

kde je

a = h/s
b = w/s

s: vzdálenost mezi přijímacím a vysílacím povrchem [m]
h: výška oblasti sálajícího povrchu [m]
w: šířka oblasti sálajícího povrchu [m]
θ: úhel, jenž svírá přijímací a sálavý povrch

Pokud je přijímací plocha rovnoběžná s vysílací plochou, je možné použít tuto upravenou rovnici (3) [5]:

(3)

Sálání je dále definováno Lambertovým zákonem. Ten popisuje záření zdroje v poloprostoru, který svírá s normálou plochy úhel φ v rozmezí 0 < φ < π/2. Záření zdroje do určitého směru je stanoveno rovnicí (4) [3]:

(4) [W∙m⁻²]

kde je

E_0,n: hustota zářivého toku ve směru normály [W∙m⁻²]

Pomocí tohoto zákona je možné odvodit vztah mezi integrálním polokruhovým zářivým tokem a zářivým tokem ve směru normály. V kolmém směru je hodnota záření největší a s odklonem postupně klesá. Tato rovnice (4) je aplikovatelná pouze při použití rovnice (3). V rovnici (2) je totiž vliv natočení přijímací a vysílací plochy zohledněn.

2. Motivace

Obr. 1 Možný dopad použití různých přístupů stanovení požárně nebezpečného prostoru
(červená: odstupová vzdálenost stanovená tabulkově, délka požárně otevřené plochy odpovídá rozvinuté délce celého rohového okna – na straně bezpečnosti; oranžová: odstupová vzdálenost stanovená zpřesněným výpočtem, určená samostatně pro každou sálavou plochu) [autor]

V dnešní době neexistuje mezinárodně unifikovaná metoda určení odstupových vzdáleností. Každý stát má svoje způsoby a kritické hodnoty určující hranici požárně nebezpečného prostoru. Postupy ovšem vycházejí z obecně platných fyzikálních zákonů. Jenom v České republice máme 2 možnosti, jak odstupové vzdálenosti řešit – tabulkově a zpřesněným výpočtem z hlediska sálání tepla. Nad rámec normových postupů je dále možné stanovit odstupové vzdálenosti požárně inženýrským přístupem za použití sofistikovanějších softwarů. Uvedené metody se liší ve výsledném vykreslení, které je v části od ostění znatelně rozdílné. České technické normy se také zabývají pouze přímými konstrukcemi. Do přímé roviny dovolují promítnout předsazené či odsazené stěny s požárně otevřenými plochami. Ovšem řešení je určitým způsobem limitováno. Dnes jsou hojně navrhována rohová okna či prosklené obvodové stěny. Přímou interakcí těchto rohových ploch se normy nezabývají. Projektanti si sami zvolí, jak k této problematice přistupovat, a jejich přístup nemusí být vždy správný. S ohledem na umístění posuzované stavby mohou volit „tu lepší variantu“, kdy požárně nebezpečný prostor nezasahuje na sousední pozemek či sousední stavby, ovšem reálně by mohlo dojít k závažnému podcenění (viz obr. 1).

Obr. 2 Ukázka zakreslení požárně nebezpečného prostoru [6]
(černě – tabulkové stanovení dle ČSN; barevně – řešení dle výpočtového programu Ing. M. Pokorného, Ph.D.)

Zakreslení tvaru požárně nebezpečného prostoru je lehce odlišné při použití jednotlivých metod. Tabulková metoda neuvažuje se snížením hustoty tepelného toku vlivem změny polohového faktoru, a proto je výsledný tvar požárně nebezpečného prostoru větší než při aplikaci přímého výpočtu z hlediska sálání tepla. Rozdíly tvaru za ostěním nejsou zanedbatelné. Normový tabulkový přístup v části za ostěním je pro přímé požárně otevřené plochy příliš konzervativní – viz obr. 2.

Záměrem je zjistit chování rohové požárně otevřené plochy. Na základě výzkumu je možné zhodnotit, zda jsou tvary požárně nebezpečného prostoru stanovené českými technickými normami pro přímé konstrukce bezpečné i v případě rohového okna, či zda je nutné aplikovat jiný přístup řešení.

3. Metody

Požárně nebezpečný prostor vzniká okolo každého hořícího objektu, který má ve svých obvodových stěnách požárně otevřené plochy – nejčastěji okna a dveře bez požární odolnosti. Tento prostor může dále vznikat v okolí obvodových stěn i v případě, že se v nich nenachází okna či dveře. Konstrukce stěn může být tvořena nebo upravena vrstvami, které jsou hořlavé. Takové stěny mohou tvořit částečně požárně otevřené plochy či požárně otevřené plochy.

Velikost požárně nebezpečného prostoru je stanovena odstupovými vzdálenostmi. Hranici tohoto prostoru určuje primárně kritická hustota tepelného toku, jenž je v různých zemích různě limitována – v ČR je kritická hustota tepelného toku rovna I_crit = 18,5 kW‧m⁻² [1]. Tato hodnota byla mezní pro porovnání všech níže uvedených metod¹.

Byly užity tyto metody stanovení odstupových vzdáleností:

Tabulkové posouzení dle ČSN 73 0802 (04)
Zpřesněný výpočet z hlediska sálání tepla – pro zjištění tvaru požárně nebezpečného prostoru byly využity tyto výpočtové programy:
1. Program vytvořený Vysokou školou báňskou – technickou univerzitou Ostrava; program je součástí publikace Požární inženýrství – Dynamika požáru (Edice SPBI Spektrum 65) [4]
2. Program vytvořený Ing. Markem Pokorným, Ph.D. – Fakulta stavební, České vysoké učení technické v Praze [6]
Požárně inženýrský přístup – řešení CFD modelem (dynamickou analýzou plynů) pomocí softwaru FDS (Fire Dynamics Simulator, NIST) a vizualizačního programu Smokeview [7].

Obr. 3 Model včetně rastru měření a měřícího zařízení při zkoušce [9]

Modelovým příkladem byla pobytová místnost o půdorysných rozměrech 5,0 × 5,0 m, jejíž světlá výška byla 2,8 m. Předmětem řešení byl vliv změny poměru délek jednotlivých částí rohového okna na tvar křivky požárně nebezpečného prostoru. Řešení bylo provedeno v omezeném rozsahu poměrů délek oken 1:1 až 1:3. Výška tohoto okna byla konstantní 1,25 m. Výška parapetu byla 0,9 m. Nejmenší rozměr části okna byl původně stanoven na 1,0 m a největší na 3,0 m.

Normovým přístupem (zjednodušeným i zpřesněným) byly zjišťovány 2 stavy. Tvar křivky při stanovení od jednotlivých okenních otvorů a následně tvar při „narovnání“ rohového okna do roviny. Kromě výpočetních metod byl v Požární laboratoři UCEEB ČVUT v Praze proveden experiment ve zmenšeném měřítku 1:5. Po porovnání výpočtového modelu a skutečnosti byl shodně modelován v programu FDS.

4. Omezení v programu FDS

Obr. 4 Vykreslení radiace v závislosti na počtu radiačních úhlů (50, 100, 300, 1000, 2000) [8]

Tepelné proudění a radiace je popisována složitými rovnicemi, které vychází z náležitých fyzikálních zákonů. V programu FDS je zdroj radiace rozdělen dle určitých vztahů. Princip šíření tepla spočívá v tzv. úhlové diskretizaci [8]. Pro diskretizaci z rovnice tepelné radiace je jednotková koule (zdroj sálání) rozdělena do konečného počtu pevných úhlů. Vzhledem k velkému množství simulací bylo použito výchozí nastavení (přírůstek časového kroku 3, přírůstek úhlů 5, počet pevných úhlů 100, počet polárních úhlů 15). Zjemnění úhlů a kroků výpočtu znamenalo mnohonásobně delší výpočetní čas. Výsledky stanovené příkazem INTEGRATED INTESITY byly odečteny z vykreslení jako přibližná průměrná hodnota z tzv. hvězdicovitého uspořádání, které je díky omezení úhlů vykreslováno – viz obr. 4. Z obrázku je též zřejmé posloupné vyhlazování křivky se stoupajícím počtem pevných úhlů až na úroveň analytického modelu.

5. Výsledky

Zkoumaným předmětem je tvar hranice požárně nebezpečného prostoru a porovnání jeho vzdálenosti od sálavé plochy při hustotě tepelného toku 18,5 kW‧m⁻² u modelu v měřítku 1:1. Od středu požárně otevřených ploch směrem od rohu nedochází k nárůstu odstupových vzdáleností tímto pravoúhlým rozložením okenních otvorů. Ke zvětšení dochází pouze v oblasti, kde se plochy požárně nebezpečného prostoru jednotlivých oken překrývají. Dochází zde ke vzájemnému ohřívání okolního vzduchu a požárně nebezpečný prostor se v této části zvětší.

Mezi zpřesněnými výpočty a simulací jsou viditelné rozdíly. Odstupové vzdálenosti stanovené modelací v FDS vychází větší než normové nebo dle podrobného výpočtu z hlediska sálání tepla. Rozdíl výpočetního modelu a normových hodnot je 8,6 % [9].

Obr. 5 Ukázka zakreslení požárně nebezpečného prostoru jinými přístupy [9]
(žlutě – ČSN [1, 2, 5]; zeleně – Výpočet odstupové vzdálenosti SPBI Spektrum 65 – SPBI, VŠB-TU Ostrava[4]; růžově – Výpočet odstupové vzdálenosti z hlediska sálání tepla – ČVUT v Praze, Ing. Marek Pokorný, Ph.D. [6]; hvězdicovitý tvar – vykreslení programem FDS)

Výsledné vykreslení tvaru požárně nebezpečného prostoru rohového okna o vnitřním úhlu 90° není příliš komplikované. Na následujícím obr. 5 jsou zakresleny rozdíly mezi odstupovými vzdálenostmi uvažovanými pro jednotlivé okenní otvory a stanovením odstupové vzdálenosti od rohového okna pomocí FDS. Hvězdicovitá křivka značí výstup z FDS, který je v AutoCADu proložený křivkou vytvořenou příkazem SPLINE.

Nejvíce se modelovanému řešení přibližuje stanovení odstupových vzdáleností pomocí výpočtového programu vytvořeného Vysokou školou báňskou – technickou univerzitou Ostrava [4]. Také stanovení pomocí výpočtového programu vytvořeného Ing. Markem Pokorným, Ph.D. [6] je poměrně přesné. Ovšem oba přístupy nepokryjí zvětšení právě v rohové oblasti. Rozdíly mezi těmito dvěma zpřesněnými výpočty jsou v maximální odstupové vzdálenost způsobeny zaokrouhlením vstupních hodnot. Vykreslené odstupové vzdálenosti směrem od ostění výsledek simulace přesahují, ovšem nedosahují tak velkých rozdílů, jako při použití normového přístupu dle ČSN [1, 2, 5].

V rámci experimentu a jeho simulace bylo zvětšení právě v rohové oblasti potvrzeno. Výsledky z radiometrů byly analyzovány a porovnány s tvarem stanoveným FDS za použití matematického softwaru.

Výzkumná práce potvrzuje zvětšení odstupových vzdáleností v rohové oblasti. Zvětšení nastává v místě překrytí ploch požárně nebezpečného prostoru (PNP), ve kterém dochází k prohřívání oblasti ze dvou stran. Rovnice pro výpočet hustoty tepelného toku možnost prohřátí nezahrnuje, a proto je nutné použít určité úpravy. Tuto skutečnost ČSN v přímém směru zohledňují zmenšením procenta otevřenosti. Zohlednění překrytí ploch jednotlivých PNP řešených jako 100 % požárně otevřené plochy stanoveno není. Tento problém nastává právě v řešení specifických oblastí rohových oken. Se zvětšením plochy překrytí PNP roste vliv na zvětšení PNP. Tvar PNP daný normovým způsobem (dle ČSN 73 0802 (04)) je v částech ostění velmi konzervativní, čímž v případě rohového okna o vnitřním úhlu 90° pokrývá zmíněné zvětšené oblasti.

6. Navrhovaná metodika určování PNP rohových oblastí

V rámci zhodnocení byla vytvořena geometrická metoda, která pokrývá zvětšený tvar požárně nebezpečného prostoru právě v rohové oblasti. V práci byly posuzovány odstupové vzdálenosti rohového okna s konstantní výškou, poměrem šířek jednotlivých otvorů 1:1 až 1:3 a vnitřním úhlem 90°. Níže uvedené postupy jsou stanoveny právě pro toto umístění oken. Postupy nemusí vždy platit v případě značně rozdílného rozmístění oken. V případě, že jeden PÚ obsahuje více okenních otvorů vedle sebe, je doporučeno řešit odstupové vzdálenosti běžným způsobem a zároveň provést posouzení samostatného rohového okna. Výsledný PNP odpovídá sjednocení těchto prostorů stanovených běžným způsobem i posouzením samostatného rohového okna. Metodou není měněn princip výpočtu ani maximální odstupová vzdálenost od středu oken. Je možné tuto metodu aplikovat i na volné skládky, ve kterých by vlivem stanovení odstupů zpřesněnými výpočty od jednotlivých obvodových stran mohlo dojít ke značnému podcenění v případě blízko umístěného objektu. Pro běžné okenní otvory je rozdíl v řádu desítek až stovek mm, ovšem v případě volných skládek mohou být rozdíly řádově i v metrech.

Zjednodušeně je možné pro pravoúhlé dispozice oken použít jeden z následujících dvou postupů:

Tab. 1 Metodika vykreslení PNP rohového okna [9]
	Použitím tabulkových hodnot dle [1, 2]	Použitím zpřesněného výpočtu [4, 6]
1.	Stanovení odstupových vzdáleností pro jednotlivé okenní otvory (`p`_o = 100 %)	Stanovení odstupových vzdáleností pro jednotlivé okenní otvory (`p`_o = 100 %)
2.	Vykreslení PNP pomocí normového tvaru	Vykreslení zpřesněného tvaru PNP
3.	Velikost PNP je dána sjednocením PNP jednotlivých otvorů	Vynesení kolmic ze středu okenních otvorů směrem do objektu
4.		Protnutí kolmic je středem kružnice, která má poloměr o velikosti vzdálenosti střetu kolmic k maximální odstupové vzdálenosti ze středu jednotlivých okenních otvorů
5.		Velikost PNP je dána sjednocením PNP jednotlivých otvorů a kružnice se středem ve střetu vykreslených kolmic
Výsledné zobrazení

Závěr

Změna tvaru požárně nebezpečného prostoru je ovlivněna umístěním požárně otevřených ploch. V případě, že se jednotlivé plochy požárně nebezpečného prostoru překrývají, dochází v této části k nárůstu odstupových vzdáleností, které je zapříčiněno prohříváním prostoru ze dvou stran a nedostatečným ochlazováním okolním prostředím. Dojde ke změně okrajových podmínek. Proto odstupové vzdálenosti od jednotlivých požárně otevřených ploch stanovené zpřesněným výpočtem nemusí být dostačující. S velikostí překrytí jednotlivých požárně nebezpečných prostorů roste vliv na velikost odstupových vzdáleností – tedy zvětšení tvaru požárně nebezpečného prostoru v oblasti překrytí. Maximální nárůst v rohové oblasti bude v případě, že jednotlivé plochy rohového okna (otvoru) v obvodových stěnách jsou shodné.

Poděkování

Tento článek vznikl za podpory studentské grantové soutěže ČVUT v Praze.
SGS18/107/OHK1/2T/11

Zdroje

ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty ed.2. Praha: ÚNMZ, nedatováno.
ČSN 73 0804 Požární bezpečnost staveb – Výrobní objekty ed.2. Praha: ÚNMZ, nedatováno.
BLAHOŽ, Vladimír a Zdeněk KADLEC. Základy sdílení tepla. Ostrava: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 1996. ISBN 978-80-902001-1-1.
KUČERA, Petr. Požární inženýrství: dynamika požáru. V Ostravě: Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2009. ISBN 978-80-7385-074-6.
ČSN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. B.m.: Český normalizační institut. 2004
POKORNÝ, Marek. Výpočet odstupové vzdálenosti z hlediska sálání tepla. 2017.
NIST - NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY. FDS and Smokeview [online]. B.m.: U.S. Department od Commerce. Dostupné z: https://www.nist.gov/services-resources/software/fds-and-smokeview
MCGRATTAN, Kevin, Randall MCDERMOTT, Marcos VANELLA, Simo HOSTIKKA a Jason FLOYD. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 2: Verification [online]. B.m.: U.S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology. 2020. Dostupné z: https://pages.nist.gov/fds-smv/manuals.html
PITELKOVÁ, Daniela. Diplomová práce – Požárně nebezpečný prostor rohových oken. 2020

Poznámka

¹ Všech výpočetních metod pro stanovení požárně nebezpečného prostoru v měřítku M1:1. ... Zpět

English Synopsis

Fire Separation Distance of Corner Window

Fire separation distance is an area around a building where a risk of a fire spread to another building due to radiation is imminent. The article deals with the separation distances of corner window. Is It describes several methods of assessing, from using prescriptive methods of Czech legislation to CFD numerical simulations, and it also presents the limitations of particular methods. Finally, the method of corner window fire separation distance is proposed.