Wskazówki do przygotowania scenariuszy pożarowych

Formalne określenie „scenariusza pożarowego” wprowadzono do rozporządzenia z dnia 2 grudnia 2015 r. w sprawie uzgadniania projektu budowlanego pod względem ochrony przeciwpożarowej [8]. Podano tam definicję scenariusza jako opis sekwencji możliwych zdarzeń w czasie pożaru reprezentatywnego dla danego miejsca jego wystąpienia lub obszaru oddziaływania, w szczególności dla strefy pożarowej lub strefy dymowej, uwzględniający przede wszystkim:

• sposób funkcjonowania urządzeń przeciwpożarowych, innych technicznych środków zabezpieczenia przeciwpożarowego i urządzeń użytkowych lub technologicznych oraz ich współdziałanie i oddziaływanie na siebie,
• rozwiązania organizacyjne niezbędne do właściwego funkcjonowania projektowanych zabezpieczeń.

Niestety, nie określono jednak ani zakresu i treści, ani definicji tego scenariusza. Biorąc pod uwagę powyższe, autorzy artykułu proponują przyjęcie następującego zakresu scenariusza rozwoju zdarzeń na wypadek pożaru:

• zapewnienie właściwego doboru urządzeń przeciwpożarowych,
• możliwość bezpiecznej ewakuacji ludzi, m.in. poprzez sterowanie urządzeniami przeciwpożarowymi,
• dobór odpowiednich materiałów i wyrobów budowlanych,
• zapewnienie właściwego szkolenia personelu,
• planowanie operacyjne na potrzeby działań ratowniczo-gaśniczych,
• analiza potencjalnych skutków pożaru dla ludzi i konstrukcji budynku.

Planowany do przeanalizowania scenariusz uwzględniający rozwój pożaru w pomieszczeniu i/lub obiekcie budowlanym powinien charakteryzować się następującymi parametrami:

• moc pożaru,
• szybkość wydzielania się z pożaru toksycznych produktów spalania,
• szybkość wydzielania się dymu pożarowego,
• rozmiar pożaru,
• czas trwania pożaru,
• czas niezbędny do osiągnięcia kluczowych zdarzeń podczas scenariusza pożarowego (np. zjawiska flashover czy backdraft).

Szczegółowe rozwiązania w zakresie przygotowania scenariuszy rozwoju zdarzeń na wypadek pożaru opisano w wytycznych VdS 2827 [9].

W oparciu o komputerowe symulacje rozwoju pożaru można dokonać oceny potencjalnych skutków określonych zdarzeń pożarowych. W tym celu konieczne jest najpierw:

• słowne opisanie rozpatrywanego zdarzenia objętego analizą (tzw. scenariusz pożaru projektowego),

a następnie, przy zastosowaniu metod inżynierii bezpieczeństwa pożarowego:

• ilościowa ocena tych scenariuszy
• oraz dobór odpowiednich środków zabezpieczających przed rozwojem pożaru w obiekcie.

Pożary projektowe są również bardzo przydatne do oceny ryzyka (oceny szkód po określonym czasie trwania pożaru).

Analizowany pożar może być stosowany do oceny konsekwencji oddziaływania promieniowania cieplnego na konstrukcję budynku lub gorących gazów pożarowych na strażaków prowadzących działania gaśnicze, jeżeli na przykład system wentylacji pożarowej, system sygnalizacji pożarowej czy też stałe urządzenia gaśnicze wodne zawiodą. Przed każdą analizą dokonaną w zakresie ochrony przeciwpożarowej powinny być znane podstawowe parametry konstrukcyjne ocenianego budynku.

Charakterystyczne funkcje, jakie spełnia analizowany obiekt, mogą być przyjęte zarówno ad hoc, jak i na podstawie poczynionych założeń projektowych. Obejmuje to co najmniej takie elementy, jak:

• wymiary budynku,
• liczba pięter
• oraz organizacja wewnętrznej komunikacji,
• jak również możliwości prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych.

Części budynku wyposażone w czynne zabezpieczenia przeciwpożarowe (np. urządzenia tryskaczowe, system sygnalizacji pożarowej czy wentylację pożarową) są warunkiem koniecznym do zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa pożarowego, stanowić będą także podstawowy wkład do ewentualnej analizy ryzyka pożaru.

Powinna być również znana wiedza o użytkownikach danego obiektu, w tym:

• ich maksymalna liczba,
• zdolność do poruszania się
• oraz rozmieszczenie w budynku.

Informacje takie są niezbędne do zastosowania obliczeń inżynierskich, w tym m.in. w zakresie ewakuacji na wypadek pożaru.

Ponadto na tym etapie powinny być znane przynajmniej założenia dotyczące charakteru, ilości i rozmieszczenia materiałów palnych w analizowanym budynku, jak również uzgodnione z jego właścicielem lub zarządcą oraz właściwymi organami Państwowej Straży Pożarnej i nadzoru budowlanego.

Zmiany tych parametrów w czasie eksploatacji budynków mogą powodować konieczność zastosowania innych koncepcji ochrony przeciwpożarowej i powodować tym samym obowiązek uzyskania stosownych pozwoleń. Dlatego też takie koncepcje leżące u podstaw założeń ochrony przeciwpożarowej w regularnych odstępach czasu powinny być sprawdzane przez specjalistę.

Kwantyfikacja celów ochrony przeciwpożarowej wymaga:

po pierwsze określenia rodzajów i wielkości skutków pożaru w budynku, który ma być chroniony,

oraz akceptowalnych strat i szkód, które mogą być stosowane jako kryteria skuteczności koncepcji ochrony przeciwpożarowej.

Kryteria te mogą być wyrażone przykładowo w postaci:

• promieniowania cieplnego (np. z gorącej warstwy gazów pożarowych),
• przepływu powietrza przy układach nawiewnych,
• stężenia gazów toksycznych i korozyjnych,
• zasięgu widoczności w dymie.

Jeśli przyjmuje się jako cel ochrony brak ofiar śmiertelnych pożaru na zewnątrz pomieszczenia, w którym ma miejsce pożar, to koncepcja ochrony przeciwpożarowej musi zapewnić pierwszeństwo na wszystkich drogach ewakuacyjnych dla ostatecznej ewakuacji wszystkich użytkowników do bezpiecznych obszarów czy miejsc.

Projektowany scenariusz może zakładać:

• pożar o tzw. stanie ustalonym, w którym wydzielana jest stała ilość ciepła,
• albo pożar, którego rozwój uzależniony jest od czasu.

Scenariusze pożarowe w funkcji czasu są powszechnie stosowane do szacowania pewnych kluczowych zdarzeń w teorii rozwoju pożarów, takich jak:

• zjawisko flashover,
• czas zadziałania systemu sygnalizacji pożarowej,
• utrata odporności ogniowej danego elementu konstrukcji itp.

Z kolei założenie w scenariuszu ustalonego stanu pożaru pozwala na pozostawienie pewnego marginesu bezpieczeństwa w doborze urządzeń przeciwpożarowych, ze szczególnym uwzględnieniem systemów wentylacji pożarowej.

Charakterystyka scenariusza pożarowego ma ogromny wpływ na projektowanie urządzeń przeciwpożarowych w budynku, a tym samym na odpowiedni poziom bezpieczeństwa pożarowego.

Należy zwrócić uwagę, że dla danego obiektu może się okazać konieczne poddanie analizie kilku scenariuszy pożarowych.

Należy również zadbać o to, by wspomniane scenariusze odnosiły się do najbardziej niekorzystnych warunków, jakie mogą wystąpić w danym obiekcie.

Żeby jednak projektowany scenariusz pożarowy umożliwiał bezpieczną ewakuację ludzi, konieczne jest spełnienie określonych warunków brzegowych odnoszących się do parametrów pożaru oraz rozprzestrzenienia dymu w obiekcie budowlanym, m.in. [3, 7]:

• temperatura gazów pożarowych (warstwy dymu) na wysokości powyżej 2 m od poziomu drogi ewakuacyjnej: poniżej 200°C. Jeżeli obliczenia pożaru projektowego są oparte na obniżającej się warstwie górnej gorącego dymu w pomieszczeniu lub na drogach ewakuacyjnych przy minimalnie czystej przestrzeni do 2 m (modele strefowe i korelacje inżynierskie);
• temperatura powietrza w przestrzeni drogi ewakuacyjnej do wysokości 1,8 m: poniżej 60°C;
• zasięg widzialności znaków ewakuacyjnych i elementów konstrukcyjnych budynku na wysokości 1,8 m od poziomu podłogi drogi ewakuacyjnej: nie mniejszy niż 10 m;
• gęstość strumienia promieniowania cieplnego na wysokości 1,8 m od poziomu posadzki: nie większa niż 2,5 kW/m² w czasie niezbędnym na ewakuację;
• przyjmuje się, że podczas spalania standardowych materiałów palnych toksyczność dymu nie jest parametrem krytycznym, jeżeli zachowany jest parametr widzialności powyżej 5 m.

Należy pamiętać również o bardzo istotnym aspekcie: znaczenia scenariusza pożarowego dla bezpieczeństwa ekip ratowniczych. W tym zakresie konieczne jest, by projektowany scenariusz uwzględniał zapewnienie w obiekcie spełnienia następujących parametrów krytycznych mogących wystąpić w czasie trwania pożaru [6]:

• temperatura powietrza w przewidywanym czasie podjęcia działań ratowniczo-gaśniczych na wysokości 1,75 m od poziomu posadzki w odległości do 15 m od źródła pożaru nie powinna przekraczać 120°C;
• widzialność wyjścia ewakuacyjnego – droga ucieczki.

Przykład obliczeniowy

Na potrzeby artykułu do obliczeń wybrano typowy dla budynków użyteczności publicznej scenariusz rozwoju pożaru (rys. 1).

• Obliczenia wykonano w programie Fire Dynamics Simulator.
• Scenariusz ten zakłada pożar w małym pomieszczeniu, o wymiarach 5,2×4,6×2,4 m.
• W pomieszczeniu znajdowały się następujące elementy wyposażenia wnętrz:
  - kanapa,
  - trzy fotele,
  - materac leżący na podłodze,
  - drzwi wejściowe o wymiarach 0,9×2,0 m,
  - otwór wentylacyjny pod sufitem o wymiarach 0,2×0,25 m.
• Elementy umeblowania zdefiniowano jako materiał dwuwarstwowy składający się z gąbki poliuretanowej i obicia.

Pożar został zainicjowany od małej powierzchni zapłonu (0,1×0,1 m) umieszczonej na kanapie. Następnie rozwijał się na coraz większej powierzchni kanapy.

• Zdefiniowana ilość uwalnianego ciepła na jednostkę powierzchni wynosiła 1000 kW/m² (Heat Release Rate Per Unit Area).
• Po przeliczeniu HRRPUA na moc pożaru (Heat Release Rate) w zdefiniowanej powierzchni (0,01 m²) otrzymano 10 kW.

W scenariuszu siatka obliczeniowa geometrii pomieszczenia składała się z 539 136 komórek obliczeniowych, każda o wymiarach 0,05×0,05×0,05 m.

• Czas trwania symulacji wynosił 600 s, w temperaturze otoczenia równiej 25°C.

Symulowane zjawisko, jakim jest pożar, ma charakter zmienny w czasie, więc traktujemy je jako tzw. zagadnienie nieustalone. Wymaga to przed rozpoczęciem obliczeń określenia efektów oczekiwanych od analizy. Chodzi w szczególności o:

• opcje wyświetlania i zapisywania wyników, tzn. o zdefiniowanie przekrojów oraz wyświetlanych na nich parametrów,
• aktywację/dezaktywację wyświetlania wektorów,
• zdefiniowanie izopowierzchni (zawierających stałe wartości danego parametru),
• umiejscowienie czujników
• czy też określenie parametrów zapisywanych z czujników.

Jest to bardzo istotny etap przygotowania każdej analizy numerycznej CFD, ponieważ po przeprowadzeniu symulacji nie będzie praktycznie możliwe otrzymanie wyników obliczeń w przypadku braku wcześniejszego zdefiniowania miejsca, czasu i przestrzeni.

Symulowanie procesów nieustalonych wymaga więc od użytkownika dobrego planowania oraz przewidzenia miejsc i parametrów do zapisu, które będą istotne z jego punktu widzenia. W przeciwnym razie użytkownik będzie musiał przeprowadzić symulację ponownie.

Dokonanie symulacji pożaru według scenariusza pozwoliło otrzymać (dla każdego kroku czasowego):

• przekroje z konturami temperatury, widoczności, prędkości,
• odczyty temperatur z czujników na różnych wysokościach rozmieszczonych na trzech pionowych liniach,
• izopowierzchnie widoczności na odległości 2,5, 5 i 10 m,
• izopowierzchnie temperatury o wartości 60 i 100°C,
• wysokość warstwy wolnej od dymu,
• wizualizację rozprzestrzeniania się dymu w przestrzeni 3D,
• wydatek masowy kratki wentylacyjnej,
• ilość uwolnionego ciepła z pożaru.

Na rys. 2 przedstawiono profile temperatury, a na rys. 3 zasięgi widzialności.

Przekroje geometrii obiektu przeprowadzono przez otwór drzwiowy oraz przez środek zdefiniowanego pożaru.

Z kolei na rys. 4a, rys. 4b i rys. 4c przedstawiono odczyt temperatury z czujników.

Literatura

1. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Society of Fire Protection Engineers, 2008.
2. PD 7974-1:2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Part 1: Initiation and development of fire within the enclosure of origin, British Standards.
3. PD 7974-2:2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Part 2: Spread of smoke and toxic gases within and beyond the enclosure of origin, British Standards.
4. PD 7974-3:2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Part 3: Structural response and fire spread beyond the enclosure of origin, British Standards.
5. PD 7974-4:2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Part 4: Detection of fire and activation of fire protection systems, British Standards.
6. PD 7974-5:2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Part 5: Fire service intervention, British Standards.
7. PD 7974-6:2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings – Part 6: Human factors: Life safety strategies – Occupant evacuation, behavior and condition, British Standards.
8. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 2 grudnia 2015 r. w sprawie uzgadniania projektu budowlanego pod względem ochrony przeciwpożarowej (DzU 2015, poz. 2117).
9. VdS 2827 Bemessungsbrände für Brandsimulationen und Brandschutzkonzepte, 2000-05.