Między przepisem a praktyką
Stosownie do zapisów §2 ust. 1 pkt 8 przepisów przeciwpożarowych [2] pod pojęciem „zabezpieczenie przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych” należy rozumieć zabezpieczenie przed utrzymywaniem się na drogach ewakuacyjnych dymu w ilości, która ze względu na ograniczenie widoczności lub toksyczności uniemożliwiałaby bezpieczną ewakuację.
Od strony projektowej nie nastręcza większego problemu spełnienie tego wymogu w odniesieniu do najczęściej budowanych obiektów z pasażami jednokondygnacyjnymi. Jednak od pewnego czasu coraz częściej budowane są w Polsce wielokondygnacyjne centra handlowo-usługowe, w których prawidłowe rozwiązanie zabezpieczenia przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych jest zadaniem znacznie bardziej złożonym.
W niniejszym artykule omówiono podstawowe zagrożenia wynikające z braku zapewnienia ochrony przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w wielokondygnacyjnych pasażach handlowych oraz rozwiązania techniczne zapewniające ich prawidłowe zabezpieczenie.
Odrębnie opisane zostały elementy procedur projektowych na podstawie amerykańskiego standardu NFPA 92B [3], które mają zastosowanie przy projektowaniu systemów ochrony przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w pasażach, atriach oraz przestrzeniach wielkokubaturowych.
Podstawowe zagrożenia wynikające z niewłaściwego zabezpieczenia przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w pasażach handlowych
Przy projektowaniu systemów zabezpieczenia przed zadymieniem w wielokondygnacyjnych pasażach handlowych najczęściej popełnianym błędem jest stosowanie systemów naturalnego bądź mechanicznego wyciągu dymu, otworami znajdującymi się w dachu świetlików, ponad otworami łączącymi kolejne kondygnacje, bez uwzględnienia wpływu wysokości budynku.
Konsekwencją takiego założenia może być, w przypadku pożaru, zadymienie kondygnacji znajdujących się powyżej kondygnacji objętej pożarem. Przyczyną wystąpienia takiego zjawiska jest zbyt duża ilość dymu i zbyt niska jego temperatura, wynikająca z procesów zachodzących podczas przepływu strumienia dymu, opisanych poniżej.
Mechanizm napływu powietrza zewnętrznego do kolumny konwekcyjnej dymu powstającej w czasie pożaru, decydujący o ilości tworzącego się dymu, został opisany w formie matematycznej między innymi przez Zukoskiego, Heskestada, Mc Caffrey’a, Thomasa [4]. Na rys. 1 przedstawiono model słupa dymu wg Heskestada, który został przyjęty w standardzie NFPA 92B. Widoczne jest, że do słupa dymu ponad źródłem ognia zasysane jest powietrze zewnętrzne, co powoduje wzrost objętości i obniżenie temperatury dymu.
W przypadku wielokondygnacyjnych pasaży handlowych najczęstszym przypadkiem jest pożar w pomieszczeniu sąsiadującym z otworem łączącym poszczególne kondygnacje. Dym wydostający się z pomieszczenia objętego pożarem wpływa do otworu międzykondygnacyjnego i dalej unosi się ku górze, analogicznie jak w przypadku kolumny konwekcyjnej omówionej powyżej.
Dla zobrazowania, jak wielkie ilości dymu mogą powstawać w przestrzeniach pasaży w wyniku wypłynięcia dymu z przyległego pomieszczenia handlowego objętego pożarem, na rys. 2 i 3 przedstawiono wykresy pokazujące strumień masowy dymu na różnej wysokości słupa dymu, przepływającego przez otwór o różnej szerokości (W), łączący pomieszczenie objęte pożarem z pasażem. Wykres na rys. 2 odpowiada przypadkowi pożaru o mocy projektowej 5000 kW (w pomieszczeniu handlowym chronionym tryskaczami standardowymi), natomiast wykres na rys. 3 – przypadkowi pożaru o mocy projektowej 2500 kW (w pomieszczeniu handlowym chronionym tryskaczami szybkiego reagowania).
Powyższe wykresy zostały sporządzone z wykorzystaniem procedur obliczeniowych opisanych w literaturze [4]. Wynika z nich, że wraz ze wznoszeniem się słupa dymu gwałtownie wzrasta jego masa i objętość. Równocześnie szybko spada jego temperatura, co powoduje stopniowe wyrównanie gęstości warstwy dymu i powietrza, a w konsekwencji wyhamowanie procesu konwekcyjnego wznoszenia się dymu. Na wykresach widoczna jest także różnica pomiędzy ilością dymu tworzącego się w przypadku zastosowania tryskaczy szybkiego reagowania i standardowych. Przykładowo, w przypadku wypływu dymu przez otwór o szerokości 5 m, przy zastosowaniu tryskaczy standardowych, na wysokości 18 m od podłogi występuje przepływ dymu w ilości ok. 280 kg/s, natomiast w przypadku zastosowania tryskaczy szybkiego reagowania ilość dymu wynosi ok. 125 kg/s. Wykresy te doskonale uzasadniają więc celowość stosowania tryskaczy szybkiego reagowania (to jest o współczynniku reakcji zadziałania RTI<50), zamiast stosowanych powszechnie tryskaczy standardowych.
Na rys. 4 przedstawiony został przykładowy rozkład temperatury dymu w przekroju poprzecznym pasażu handlowego. Widoczne jest, iż temperatura dymu wpływającego do otworu łączącego poszczególne kondygnacje, w przypadku zastosowania w pomieszczeniu objętym pożarem tryskaczy szybkiego reagowania, wynosi około 40ºC. Widoczne jest również, że już na wysokości stropu 2 kondygnacji powyżej kondygnacji objętej pożarem temperatura warstwy dymu jest w przybliżeniu równa temperaturze początkowej otoczenia, co oznacza, proces konwekcyjnego wznoszenia się dymu jest na tej wysokości bardzo wolny.
W konsekwencji omówionych zjawisk, dym wpływający do przestrzeni pasażu zamiast unosić się ku górze, w kierunku otworów wyciągowych, rozprzestrzenia się na boki, powodując zadymienie kondygnacji znajdujących się powyżej kondygnacji objętej pożarem, co przedstawia rysunek 5. Szczególnie duże zagrożenie występuje w przypadku pożarów występujących na najniższych kondygnacjach pasaży wielokondygnacyjnych.
Kolejnym zjawiskiem towarzyszącym przepływowi pionowemu dymu przez otwory łączące poszczególne kondygnacje jest zawirowanie wznoszącego się dymu w kierunku balkonów, a tym samym ich zadymienia (ang. curl back). Zjawisko to obrazuje rys. 6.
Wystąpienie zjawiska zawirowania zależy od szerokości balkonów ewakuacyjnych. Jak wykazały badania, zawirowanie występuje szczególnie wyraźnie przy balkonach o szerokości poniżej 2 m. Jednak ze względów psychologicznych zaleca się, aby w celu uniknięcia nadmiernego stresu u ewakuujących się ludzi, balkony ewakuacyjne miały szerokość powyżej 4,5 m [2]. W przypadku trudności ze spełnieniem tego wymogu zaleca się stosowanie kurtyn dymowych (stałych lub automatycznie opuszczanych – uruchamianych czujkami dymu) wzdłuż krawędzi balkonów oraz potraktowanie przestrzeni poniżej każdego balkonu jak zbiornika dymu.
Opisane tu zjawiska zachodzące w czasie przepływu dymu dają odpowiedź na pytanie dlaczego ochrona otwartych na pasaż dróg ewakuacyjnych poprzez usuwanie dymu przez otwory w zadaszeniu pasażu jest możliwa tylko w pasażach jedno- i dwukondygnacyjnych. W tych pasażach różnica poziomów pomiędzy projektową podstawą warstwy dymu oraz górną krawędzią otworu ze sklepu prowadzącego na pasaż jest stosunkowo niewielka, a co za tym idzie ilość dymu wpływającego do zbiornika dymu jest jeszcze na tyle mała, a temperatura na tyle wysoka, że możliwe jest jego odprowadzenie przez klapy dymowe lub przy pomocy wentylatorów oddymiających, zabudowanych w górnej części pasażu.
W celu wyeliminowania zagrożenia zadymienia kondygnacji znajdujących się powyżej kondygnacji objętej pożarem należy stosować odpowiednie systemy zabezpieczające. W przypadku pasaży dwukondygnacyjnych istnieje możliwość usuwania dymu poprzez system wyciągowy zlokalizowany w stropie świetlików, jednak wydajność instalacji oddymiającej musi być każdorazowo wyznaczona na podstawie dokładnych obliczeń ilości i temperatury dymu powstającego w trakcie pożaru. W przypadku pasaży o większej liczbie kondygnacji konieczne jest zastosowanie systemów zapewniających usuwanie dymu bezpośrednio z kondygnacji objętej pożarem i zabezpieczenie przed jego przedostaniem się do otworów łączących sąsiednie kondygnacje. Cel ten może być realizowany poprzez usuwanie dymu bezpośrednio z pomieszczenia objętego pożarem lub z przestrzeni pasażu. W drugim przypadku, w pasażu muszą być zaprojektowane specjalne zbiorniki dymu, ograniczające jego rozprzestrzenianie.
Podstawowe wymagania dla systemów ochrony przed zadymieniem – zakres uregulowań w normie NFPA 92B
Norma NFPA 92B ustala metodykę określania lokalizacji w wielkokubaturowej przestrzeni dymu wydzielającego się w wyniku pożaru w tej przestrzeni lub w przestrzeni przyległej, niewydzielonej. Metodyka ta obejmuje techniczne podstawy wspomagające projektowanie, budowę, wykonywanie prób, eksploatację i konserwację nowych oraz przebudowanych systemów sterowania przepływem dymu w przestrzeni, w której pożar może powstać lub w przylegającej przestrzeni nieoddzielonej przegrodami zapobiegającymi przepływowi dymu.
Norma ta obejmuje systemy sterowania przepływem dymu w budynkach z atriami, przekrytymi pasażami i innymi podobnymi przestrzeniami wielkokubatorowymi. Nie odnosi się ona do magazynów, obiektów produkcyjnych itp. obiektów budowlanych. Nie zawiera również metodologii szacowania oddziaływania dymu na ludzi i na mienie.
Równania matematyczne zawarte w tej normie mają zastosowanie przy założeniu, że dym będzie usuwany z budynku przez system wentylacji mechanicznej lub będzie wypełniał przestrzeń wielkokubaturową.
W omawianej normie stosowane są następujące pojęcia:
● system sterowania przepływem dymu (smoke management system) – rozwiązania inżynierskie obejmujące wszystkie metody, które mogą być zastosowane pojedynczo lub w połączeniu, w celu ukierunkowania przepływu dymu w budynku,
● atrium (atrium) – przestrzeń wielkokubaturowa obejmująca kilka kondygnacji budynku lub ich części w związku z występowaniem otworu w stropach międzykondygnacyjnych, przekryta w najwyższej części stropodachem, wykorzystywana do innych celów niż obudowana klatka schodowa, szyb windy, schody ruchome lub szyb instalacyjny,
● przekryty pasaż (covered mall) – obiekt budowlany zajmowany przez wielu niezależnych dzierżawców, z których co najmniej dwóch posiada lokale z głównym wejściem do pasażu,
● przestrzeń wielkokubaturowa (large volume space) – niepodzielona przestrzeń, zwykle łącząca dwie lub więcej kondygnacji, wewnątrz której dym wydzielający się w czasie pożaru powstałego w tej przestrzeni lub przestrzeni przyległej może przemieszczać się i gromadzić bez żadnych ograniczeń.
Norma definiuje następujące rodzaje pożarów:
● pożar, którego moc jest ograniczana przez ilość palnych materiałów (fuel limited fire)
● pożar, którego moc jest ograniczana przez wentylację (ventilation limited fire) – pożar, który ogarnął wszystkie materiały palne w pomieszczeniu objętym pożarem i którego moc jest zależna od ilości powietrza wpływającego przez otwory do tego pomieszczenia;
● pożar ograniczany przez instalację tryskaczową (sprinkler controlled fire) – pożar, którego moc po zadziałaniu instalacji tryskaczowej przyjmuje wartość stałą lub zmniejsza się;
● pożar o stałej mocy (steady fire) – pożar, którego moc jest stała;
● pożar „kwadratowy” (t-squered fire) – pożar, którego moc rośnie proporcjonalnie do kwadratu czasu, licząc od momentu zapalenia (wykres na rysunku 7);
● pożar o zmiennej mocy (unsteady fire) – pożar, którego moc zmienia się w czasie.
Norma wyróżnia następujące rodzaje słupa dymu wznoszącego się nad pożarem:
● słup dymu o symetrii osiowej (axisymetric pluse) – słup dymu, który wznosi się nad pożarem bez kontaktu ze ścianami lub innymi przeszkodami i nie jest rozrywany lub odchylany na skutek przepływu powietrza (tak jak pokazano na rys. 1)
● balkonowy słup dymu (balkony spill plume) – słup dymu wypływający z pomieszczenia objętego pożarem przez otwór drzwiowy, następnie przepływający pod balkonem i po pokonaniu krawędzi balkonu wypływający w górę (rys. 8);
● okienny słup dymu (window plume) – słup dymu, który wypływa przez otwór z pokoju lub innego pomieszczenia, w którym pożar jest kontrolowany przez wentylację (rys. 9);
Spośród innych ważnych pojęć stosowanych w tej normie należy wymienić zasysanie czystego powietrza spod warstwy dymu (plugholing) – sytuacja, kiedy z uwagi na zbyt dużą wydajność punktów wyciągu dymu czyste powietrze spod warstwy dymu jest zasysane przez tę warstwę (rys. 10).
SITP Oddział Katowice
Literatura
[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75 poz. 690 z pózn. zm.).
[2] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. Nr 80, poz. 563).
[3] NFPA 92B Standard for Smoke Managment Systems in Malls, Atria and Large Spaces, 2005 Edition.
[4] Morgan et. al. Design methodologies for smoke and heat exhaust ventilation. BRE Report BR 368. London: CRC, 1999.
[5] H. Klote, James A. Milke, Principles of smoke managment, ASHRAE, SFPE 2002.
[6] Design Fires Database. Building Reasearch Establishment. 2002.
[7] Karlson B., Quintiere J.G., Enclosure Fire Dynamics. 2000 by CRC Press LLC.
[8] Brzezińska D., Skaźnik M. Zabezpieczenie przed zadymieniem wielokondygnacyjnych pasaży handlowych. Ochrona Przeciwpożarowa Nr 1/2005 (11).
[9] Skaźnik M. Ochrona przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w pasażach, atriach oraz przestrzeniach wielkokubaturowych. Ochrona Przeciwpożarowa Nr 3/2006 (17).
[10] Skaźnik M. Projektowanie systemów usuwania ciepła i dymu oraz ochrony przed zadymieniem. Mercor Gdańsk, Eko-Poż Katowice, 2001.
inne artykuły tego autora:
- Atria i pasaże handlowe a ochrona przeciwpożarowa. Część 2, Paweł Królikowski, Świat Szkła 10/2008
- Atria i pasaże handlowe a ochrona przeciwpożarowa. Część 1, Paweł Królikowski, Świat Szkła 9/2008
- Drzwi automatyczne a wyjścia ewakuacyjne - wymagania dla bezpieczeństwa pożarowego , Paweł Królikowski, Świat Szkła 5/2006
- Wymagania stawiane urządzeniom do usuwania dymu oraz zapobiegającym zadymieniu, Paweł Królikowski, Świat Szkła 12/2005
- Wpływ instalacji gaśniczych tryskaczowych na ochronę przegród przeszklonych. Część 2 , Paweł Królikowski, Świat Szkła 6/2005
- Wpływ instalacji gaśniczych tryskaczowych na ochronę przegród przeszklonych. Część 1 , Paweł Królikowski, Świat Szkła 5/2005