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).
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).
Cele projektowe i podstawy projektowania
Celem systemów sterowania przepływem dymu jest zapewnienie w zakładanym czasie projektowym:
● warunków do bezpiecznej ewakuacji ludzi z przestrzeni wielkokubaturowej,
● kontroli i ograniczenia migracji dymu pomiędzy przestrzenią objętą pożarem a przestrzenią przyległą.
System powinien więc zapewnić możliwość sterowania przepływem dymu w przestrzeni wielkokubaturowej oraz w niewydzielonych z niej przestrzeniach przyległych. Cele projektowe zostaną osiągnięte, jeżeli w zakładanym czasie projektowym system sterowania przepływem dymu zapewni utrzymanie podstawy warstwy dymu na ustalonej wysokości.
Przy projektowaniu systemu sterowania przepływem dymu powinny zostać uwzględnione:
● parametry niezbędne do określania wielkości pożaru projektowego, stanowiące podstawę do określenia ilości wydzielającego się dymu (rodzaj i ilość materiałów palnych dla każdego z zakładanych pożarów projektowych; miejsce, w którym występują; zakres ochrony i niezawodność systemów gaśniczych; zakres i rodzaj wentylacji);
● wysokość, pole przekroju pionowego oraz powierzchnia tej części wielkokubaturowego obiektu, która ma być chroniona;
● wysokość, pole przekroju pionowego oraz powierzchnia każdej niewydzielonej części obiektu przylegającej do przestrzeni wielkokubaturowej;
● sposób wykorzystania części obiektu przylegających do przestrzeni wielkokubaturowej, a nie wydzielonych z niej pożarowo;
● wydzielenia (jeżeli występują) oddzielające części obiektu przyległe do przestrzeni wielkokubaturowej;
● drogi ewakuacyjne z przestrzeni wielkokubaturowej oraz z przyległych niewydzielonych przestrzeni.
W obliczeniach projektowych ilości dymu wydzielającego się w czasie pożaru należy uwzględnić powstanie pożaru zarówno w przestrzeni wielkokubaturowej, jak i w przyległej niewydzielonej przestrzeni.
Cel projektowy można osiągnąć poprzez:
● naturalne wypełnienie dymem wolnej przestrzeni lub zbiornika dymu, z uwzględnieniem relacji pomiędzy czasem opadania warstwy dymu do poziomu (wysokości), przy którym ewakuujący się ludzie będą narażeni na oddziaływanie dymu, a czasem, w którym zakończona zostanie ich bezpieczna ewakuacja z tej przestrzeni;
● mechaniczny wyciąg dymu z intensywnością zapewniającą utrzymanie warstwy wolnej od dymu na ustalonej wcześniej wysokości przez nieokreślony czas;
● mechaniczny wyciąg dymu z intensywnością zapewniającą utrzymanie szybkości obniżania się warstwy dymu w takim stopniu, aby ewakuujący się ludzie mogli bezpiecznie opuścić zagrożoną przestrzeń;
● naturalny wyciąg dymu zapewniający utrzymanie warstwy wolnej od dymu na ustalonej wcześniej wysokości przez nieokreślony czas;
● naturalny wyciąg dymu z intensywnością zapewniającą zmniejszenie szybkości obniżania się warstwy dymu w takim stopniu, aby ewakuujący się ludzie mogli bezpiecznie opuścić zagrożoną przestrzeń.
Każdy z opisanych sposobów powinien być zweryfikowany przy zastosowaniu obliczeń opartych na zasadach dynamiki płynów (CFD) oraz modeli rozwoju pożaru w pomieszczeniach w mniejszej skali lub modeli strefowych.
Ważne jest w tym przypadku zwrócenie uwagi na ograniczenie projektowe, polegające na tym, że minimalna grubość warstwy dymu powinna wynosić 20% wysokości pomiędzy posadzką a sufitem, przy czym dopuszcza się zmniejszenie tej wartości na podstawie analiz inżynierskich.
Przestrzenie przyległe do przestrzeni wilkokubaturowej
Aby uniemożliwić przepływ dymu z przestrzeni wielkokubaturowej do niewydzielonej pożarowo przyległej przestrzeni, można zastosować jedną z poniższych metod:
● utrzymanie podstawy warstwy dymu na poziomie wyższym niż najwyżej położony otwór pomiędzy przestrzenią wielkokubatorową a przestrzenią przyległą,
● zastosowanie przegród fizycznych ograniczających przepływ dymu do przyległej przestrzeni,
● zapewnienie w otworach łączących przestrzeń wielkokubatorową z przyległą przestrzenią powietrza o kierunku przeciwnym do kierunku przepływu dymu.
Przy zastosowaniu przegród fizycznych konieczne jest przeprowadzenie obliczeń inżynierskich w celu potwierdzenia, czy będzie zapewniona (wymagana) różnica ciśnień zapobiegająca migracji dymu.
Kiedy w celu uniemożliwienia przepływu dymu z przestrzeni wielkokubaturowej do przestrzeni przyległej przez otwory o znacznych rozmiarach stosowany jest przepływ powietrza o kierunku przeciwnym do kierunku przepływu dymu, kierunek jego przepływu powinien być prawie prostopadły do płaszczyzny otworu.
Gdy zakłada się wypływ dymu z przyległej przestrzeni do przestrzeni wielkokubaturowej, obliczona ilość dymu wypływającego z tej przestrzeni powinna być uwzględniona w obliczeniach projektowych systemu sterowania dymem tak, aby uzyskać zakładaną wysokość podstawy warstwy dymu. W systemach sterowania przepływem dymu wykorzystujących przepływ powietrza do zapobiegania przenikaniu dymu do przestrzeni wielkokubaturowej, należy zapewnić wyciąg dymu o odpowiedniej wydajności z przestrzeni przyległej, który zagwarantuje przepływ powietrza o wymaganej prędkości pomiędzy przestrzenią przyległą i przestrzenią wielkokubaturową.
Działanie systemu sterowania przepływem dymu
Aktywacja systemu sterowania przepływem dymu powinna nastąpić automatycznie, wywołana przez aprobowane systemy.
W przestrzeniach wielkokubaturowych, w których może wystąpić zjawisko rozwarstwienia dymu, powinien zostać zastosowany jeden z niżej wymienionych sposobów wykrywania dymu:
● liniowe czujki dymu skierowane w górę pod takim kątem, aby przecięły warstwę dymu niezależnie od poziomu rozwarstwienia dymu pod zadaszeniem przestrzeni wielkokubaturowej,
● poziomo zabudowane liniowe czujki dymu zlokalizowane pod zadaszeniem przestrzeni wielkokubaturowej z dodatkowymi liniowymi czujkami dymu umieszczonymi na różnych wysokościach, obejmującymi kontrolą zidentyfikowane nieklimatyzowane przestrzenie,
● poziomo zabudowane liniowe czujki dymu umiejscowione poniżej najniższego spodziewanego poziomu rozwarstwienia dymu.
System sterowania przepływem dymu powinien osiągnąć zakładane parametry jeszcze przed wystąpienie zadymienia w przestrzeni wielkokubaturowej.
Przy określaniu czasu niezbędnego do osiągnięcia pełnej gotowości systemu należy rozważyć następujące czynniki (jeśli mają istotne znaczenie w konkretnych rozważaniach projektowych):
● czas od powstania pożaru do jego wykrycia,
● czas aktywacji systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania (HVAC), obejmujący włączenie lub wyłączenie urządzeń służących do rozprowadzania powietrza, otwarcie lub zamknięcie klap oraz otwarcie lub zamknięcie klap dymowych.
Jeżeli projekt systemu sterowania przepływem dymu jest oparty na założeniu, że ewakuujący się ludzie mają opuścić zagrożoną przestrzeń, zanim na drogach ewakuacyjnych pojawi się dym lub zostaną przekroczone parametry krytyczne, system powinien działać przez wymagany czas. System sterowania przepływem dymu zaprojektowany w celu zapewnienia na drogach ewakuacyjnych takich warunków, które umożliwią jeszcze bezpieczną ewakuację, nie musi zakładać zapobieżenia obniżenia warstwy dymu. Należy jednak przeprowadzić analizę wymaganego czasu ewakuacji.
Urządzenia pozwalające na ręczne uruchomienie lub zatrzymanie systemu sterowania przepływem dymu powinny być zlokalizowane w miejscu dostępnym dla straży pożarnej. Ręczne urządzenia sterujące powinny mieć możliwość przełączania z trybu automatycznego na tryb ręczny.
Powietrze uzupełniające powinno być dostarczane za pomocą wentylatorów lub przez otwory prowadzące na zewnątrz przestrzeni wielkokubaturowej. Punkty dostarczania powietrza do budynku powinny być usytuowane poniżej podstawy warstwy dymu.
Wydajność wentylatorów zapewniających napływ powietrza do przestrzeni wielkokubaturowej powinna być niższa niż masowy wyciąg dymu z budynku. Zaleca się, aby wydajność powietrza nawiewanego stanowiła 85 do 95% powietrza wywiewanego. Z doświadczeń wynika, że pozostała ilość powietrza (5-15%) wpływa do budynku przez niewielkie nieszczelności. Powodem, dla którego wydajność nawiewu powinna być mniejsza niż wydajość wywiewu, jest potrzeba zapobieżenia powstaniu nadciśnienia w przestrzeni objętej pożarem.
Powietrze uzupełniające nie powinno powodować, że siła potrzebna do otwarcia drzwi przekroczy wartość dopuszczalną. Szybkość napływu powietrza uzupełniającego w momencie, kiedy powietrze to będzie stykać się ze słupem dymu, nie powinna przekraczać 1 m/s, chyba, że większa szybkość wynika z analiz inżynierskich.
Elementy systemu sterowania przepływem dymu powinny zapewnić jego nieprzerwaną pracę w maksymalnej spodziewanej temperaturze i w ustalonym czasie projektowym. Projekt powinien uwzględniać wpływ temperatury zewnętrznej oraz wiatru na działanie systemu sterowania dymem.
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.
więcj informacji: Przeciwpożarowe przegrody przeszklone12/2008