Podział przestrzeni w budynku a rozprzestrzenianie się pożaru

Bezpieczeństwo pożarowe jest jednym z filarów nowoczesnego budownictwa. Jego zapewnienie jest drugim, po bezpieczeństwie konstrukcji, wymaganiem podstawowym stawianym budynkom [1]. Zapewnienie wymaganego poziomu bezpieczeństwa jest możliwe wtedy, kiedy budynek zostanie zbudowany zgodnie z obowiązującymi przepisami oraz będzie wyposażony we wszystkie niezbędne instalacje i urządzenia ochrony przeciwpożarowej [2, 3]. Pomimo nieustannego rozwoju nowoczesnych narzędzi służących ograniczaniu rozwoju pożaru i minimalizowaniu jego skutków wciąż najbardziej pewnymi zabezpieczeniami są ściany i przegrody wykonane w odpowiedniej klasie odporności ogniowej, które pozwalają ograniczyć obszar pożaru do pojedynczej strefy pożarowej. Ma to wielkie znaczenie zarówno w przypadku magazynu o powierzchni kilkudziesięciu tysięcy metrów kwadratowych, jak i w przypadku niewielkiego pokoju hotelu czy pojedynczej kondygnacji biura. Wymagania techniczno-budowlane stawiane elementom konstrukcji, instalacjom czy wyrobom budowlanym są powiązane z wymiarem, czyli powierzchnią strefy pożarowej, w której się znajdują. To ten parametr tak naprawdę określa maksymalny, graniczny, rozmiar pożaru w budynku w określonym czasie.

Elementy oddzielenia przeciwpożarowego oraz zamknięć znajdujących się w nich otworów (do 15% dla ścian i 0,5% dla stropów), wydzielające strefę pożarową w budynku, powinny być wykonane w odpowiedniej klasie odporności ogniowej elementów, która z kolei zależy od klasy odporności pożarowej budynku (od A do E) oraz rodzaju elementu (ściana, strop, drzwi, bramy).

Rys. 1 Pożar w pierwszej fazie – zjawisko lokalne, moc pożaru zależy od ilości i palności materiałów (praca własna)

Rys. 2 Pożar w pełni rozwinięty – zjawisko obejmujące cały obszar ograniczony przegrodami, jego moc zależy od ilości dostępnego powietrza (praca własna)

Czy jednak pożar całej strefy pożarowej to zawsze jedyny scenariusz wieńczący powstanie pożaru? Nie zawsze, poza oczywistym podziałem z wykorzystaniem przegród – elementów oddzielenia przeciwpożarowego, wspomnianych wcześniej, inżynierowie dysponują innymi narzędziami pozwalającymi na ograniczenie rozprzestrzeniania się pożaru w obiekcie. Mając na względzie wysoki poziom wiedzy wśród inżynierów budownictwa z zakresu podziału na strefy pożarowe z wykorzystaniem przegród, w artykule jedynie zasygnalizowano te zagadnienia, koncentrując się na omówieniu innych możliwości ograniczania rozprzestrzeniania się pożaru w przestrzeni budynku.

Rozwój pożaru

Fazy rozwoju pożaru

Bardzo ważna jest znajomość podstawowych zjawisk mających miejsce w czasie pożaru, a istotnie wpływających na jego rozwój. Pożar powstały w budynku może rozwijać się na różne sposoby, a kryteriami warunkującym jego rozwój są ilość materiałów palnych, dostęp do powietrza (pożar może być kontrolowany przez paliwo lub powietrze) oraz czynniki hamujące jego rozwój (np. stałe urządzenia gaśnicze). Analizując rozwój pożaru, możemy wyznaczyć trzy najistotniejsze jego fazy [4]:

– faza rozwoju pożaru – czas od momentu powstania pożaru do rozgorzenia. Pożar o małej intensywności, obejmujący fragment zagrożonego obszaru, bardzo wysoka temperatura w pobliżu kolumny konwekcyjnej ognia, jednak temperatura pod stropem nieprzekraczająca 550°C, a promieniowanie cieplne zwrócone ku podłodze nie większe niż 15 kW/m²; chwilowa moc pożaru zależy od ilości paliwa;

– rozgorzenie – moment, w którym pod wpływem promieniowania od warstwy gorącego dymu niemal natychmiast wszystkie materiały palne w pomieszczeniu zapalają się jednocześnie, a pożar obejmuje cały zagrożony obszar;

– pożar w pełni rozwinięty – po wystąpieniu zjawiska rozgorzenia cała kubatura pomieszczenia objęta jest pożarem, temperatura w tej objętości jest dość jednolita i może wynosić ok. 1000°C–1100°C. Chwilowa moc pożaru zależy od ilości powietrza dopływającego do pomieszczenia.

Przejście między pożarem lokalnym do pożaru globalnego jest zjawiskiem gwałtownym, powodującym skokowy wzrost ilości wydzielanego ciepła i sprzyjający szybkiemu rozprzestrzenieniu się pożaru do sąsiednich pomieszczeń. Jak zabezpieczyć się przed takim rozprzestrzenieniem?

Tab. Wartość współczynnika wzrostu pożaru dla różnych szybkości rozwoju pożaru

Rozprzestrzenianie się pożaru w pierwszej fazie rozwoju

Pierwsza faza rozwoju pożaru to czas, w którym użytkownicy obiektu podejmują pierwsze działania gaśnicze oraz ewakuują się. Zmiana mocy pożaru w tej fazie zazwyczaj opisywana jest zależnością:

Q = αt²

gdzie: Q – moc pożaru [kW], t – czas [s], α – współczynnik charakteryzujący wzrost pożaru o wartościach przedstawionych w tablicy.

Rozprzestrzenianie się pożaru w pełni rozwiniętego

Jeżeli pożar przejdzie w fazę pożaru w pełni rozwiniętego, z definicji cały obszar wydzielony ścianami oddzielenia przeciwpożarowego objęty jest niekontrolowanym spalaniem. Nie jest to równoznaczne z objęciem przez pożar obszaru całej strefy pożarowej, ponieważ każda przegroda, drzwi czy element podziału przestrzeni spowolni jego rozwój. Nie da się jednak w sposób rzetelny wyznaczyć czasu tego opóźnienia. Pomijając aktywne systemy zabezpieczeń w postaci np. instalacji tryskaczowej czy pośrednio wentylacji pożarowej, jedynym pewnym zabezpieczeniem przed dalszym rozwojem pożaru w pełni rozwiniętego jest podział przestrzeni za pomocą przegród o wymaganej odporności ogniowej.

Wymagania dla przegród stanowiących oddzielenia przeciwpożarowe są ściśle określone w rozporządzeniu  [2]. W zależności od rodzaju przegrody i jej przeznaczenia (element nośny i/lub wypełniający) wymaga się od przegród spełnienia kryterium nośności ogniowej R (elementy nośne), izolacyjności ogniowej I i/lub szczelności ogniowej E. Wymagania oprócz oznaczenia literowego określone są liczbowo: 15, 30, 60, 120 lub 240 minut, co należy interpretować jako czas pełnienia swojej funkcji podczas pożaru rozwiniętego przez minimum deklarowany czas. Uzyskanie klasy odporności ogniowej elementu odbywa się zazwyczaj na drodze badawczej, jednak w wybranych dobrze rozpoznanych przypadkach można wykorzystać metody obliczeniowe zawarte w częściach pożarowych poszczególnych Eurokodów. Podobne zasady obowiązują dla przejść instalacyjnych przechodzących przez przegrody oddzielenia przeciwpożarowego, które stanowią osłabienie takiej przegrody, dlatego też trzeba zwracać szczególną uwagę na staranne ich wykonanie, zapobiegające pogorszeniu parametrów elementów oddzielenia przeciwpożarowego. W przypadku przejść instalacyjnych weryfikacja ich właściwości ogniowych odbywa się na drodze badawczej (fot. 1, 2).

Fot. 1 Weryfikacja szczelności i izolacyjności ogniowej przejść instalacyjnych – widok podczas próby (badania własne ITB)

Fot. 2 Widok przejść instalacyjnych po badaniu (badania własne ITB)

Inne niż przegrody sposoby podziału przestrzeni i ograniczania rozprzestrzeniania się pożaru

Podział budynku na strefy pożarowe nie jest jedyną formą zabezpieczenia przed rozprzestrzenianiem się pożaru w budynku. Oczywiście poniższe rozwiązania komplementarne nie dają 100-procentowej pewności, że pożar się nie rozprzestrzeni, jednak stanowią one dodatkowe zabezpieczenie, dzięki któremu prawdopodobieństwo objęcia pożarem całej strefy dymowej znacząco maleje.

Podział budynku na strefy dymowe

Pierwszy sposób podziału przestrzeni budynku praktykowany w obiektach wyposażonych w system wentylacji pożarowej to podział na tzw. strefy dymowe. Strefa dymowa to obszar obiektu wydzielony ścianami i kurtynami dymowym, który w przypadku pożaru w jej obrębie ulegnie zadymieniu. Obszar pod stropem strefy dymowej, w którym może gromadzić się dym, nazywamy zbiornikiem dymu. Dzięki urządzeniom wentylacyjnym stale usuwającym dym z obszaru zbiornika dymu ograniczana jest jego ilość oraz temperatura. Dobrze zaprojektowany system wentylacji pożarowej powinien utrzymać dym w obrębie zbiornika dymu, dzięki czemu obszar poza jego granicami nie jest narażony na promieniowanie od górnej warstwy dymu, a tym samym zapalenie materiałów palnych poza obszarem strefy dymowej jest mało prawdopodobne. Wspólne zastosowanie instalacji tryskaczowej oraz systemu wentylacji pożarowej daje bardzo dużą pewność ochrony budynku przed rozprzestrzenieniem się pożaru i minimalizacją jego skutków – nie bez powodu te dwie instalacje w wymaganiach przepisów techniczno-budowlanych warunkują możliwość powiększania rozmiarów strefy pożarowej  [2].

Podstawowymi zasadami podziału na strefy dymowe są [4]:

– powierzchnia strefy dymowej oddymianej mechanicznie nieprzekraczająca 2600 m²,

– powierzchnia strefy dymowej oddymianej grawitacyjnie nieprzekraczająca 2000 m²,

– żaden wymiar strefy dymowej nieprzekraczający 60 m,

– w przypadku pomieszczeń włączonych w strefę dymową pasażu – powierzchnia największego przyległego pomieszczenia plus powierzchnia pasażu nieprzekraczająca 2600 m² lub 2000 m² w zależności od wybranego systemu.

Podziału dokonuje się za pomocą kurtyn dymowych stałych lub opuszczanych automatycznie w momencie wykrycia pożaru. Kurtyny dymowe badane są według normy [5] i przypisywane klasie D oznaczającej oddziaływanie pożaru o temperaturze 600°C lub w klasie DH oznaczającej oddziaływanie pożaru według krzywej standardowej opisanej w normie [6]. Klasie towarzyszy indeks określający czas badania, od 30 do 120 minut, lub inny czas osiągnięty w badaniu. Dodatkowo kurtynom przypisuje się oznaczenia związane ze sposobem ich zachowania, SSB dla stałych kurtyn dymowych oraz ASB-1 do ASB-4 dla automatycznych kurtyn dymowych. Kurtyny automatyczne powinny być zasilane kablami pożarowymi (ASB-2 i ASB-4) lub powinny zapewniać samoczynne otworzenie się jej w przypadku utraty zasilania lub awarii (ASB-1 i ASB-3). Poza powyższymi kryteriami wszystkie kurtyny dymowe muszą spełniać kryterium szczelności – czyli zapewnić opisane w normie [5] kryterium przecieków gwarantujące utrzymanie dymu w obszarze ograniczonym kurtyną.

Podział budynku na strefy dymowe ma również swoje wady.Przede wszystkim w niektórych obiektach wymagane są duże powierzchnie kurtyn dymowych, które mogą być technicznie trudne do wykonania w formie niepsującej architektonicznego układu budynku (np. duże połacie szkła ponad pasażami handlowymi). Po drugie system wentylacji pożarowej jest projektowany na konkretne przewidziane w dokumentach normatywnych zagrożenie pożarowe. W przypadku pożaru większego nie gwarantuje on skutecznego działania w całym czasie trwania pożaru, chociaż należy podkreślić, że w początkowych kilkunastu minutach z pewnością jego działanie będzie miało pozytywny skutek. Po trzecie wreszcie, kurtyny dymowe klasyfikowane są w klasach z indeksami czasowymi 30, 60 i 120 minut, co oznacza, że w niektórych przypadkach pewność ich działania może być zagwarantowana w czasie krótszym niż wymagany, np. dla budynków PM zakwalifikowanych do klasy odporności pożarowej budynku A wymagania klasy odporności ogniowej dla oddzieleń przeciwpożarowych w formie ścian i stropów wynoszą REI 240.

Rys. 3 Rozkład temperatury pod stropem kondygnacji garażu (lewy rysunek) oraz rozkład promieniowania cieplnego zwróconego ku podłodze (prawy rysunek) jako wynik analizy CFD (badania własne ITB)

Inżynierska ocena możliwości rozwoju pożaru

Poprawność działania systemu wentylacji pożarowej i powiązanego z nim skutecznego podziału budynku na strefy dymowe może być oceniona na drodze analiz numerycznych rozprzestrzeniania się dymu i ciepła z wykorzystaniem metody komputerowej mechaniki płynów (CFD) [7], [11], [12]. Analiza CFD polega na rozwiązaniu układu równań różniczkowych opisujących przepływ masy i energii w badanym układzie, podzielonym na skończoną liczbę niewielkich objętości, w dokładnie opisanych następujących po sobie krokach czasowych. Rozwiązanie równań stanowią wartości ciśnienia, temperatury, gęstości, prędkości przepływu, stężenia dymu itp., znane dla każdej objętości w badanym układzie, w każdym momencie trwania analizy. Dzięki temu analizy CFD, wykonane na odpowiednio dyskretyzowanym modelu, są tak dobrym narzędziem w rękach inżyniera, pozwalając zaglądać w dowolne miejsce w badanym budynku i w kilka sekund ocenić warunki środowiska tam panujące.

W budynkach o dużych wymiarach strefy dymowej możliwe jest dokonanie podziału przestrzeni budynku z wykorzystaniem pasów przestrzeni o dużej szerokości, w których nie znajdują się materiały palne.Takim podziałem może być np. pasaż handlowy oddzielający od siebie sklepy, ze względu na odległość dzielącą witryny sklepów przeniesienie się pożaru na drodze promieniowania do przeciwległego sklepu jest niemożliwe. Jednak należy zauważyć, że projektowany w takim obiekcie system wentylacji pożarowej powinien uwzględniać jego rozmiary i możliwe przeszkody stojące na drodze dymu w kierunku zbiornika dymu [8].

W przypadku pożaru we wczesnej fazie rozwoju odległość od pożaru, w jakiej samozapalaniu ulegną materiały palne, w wyniku oddziaływania strumienia ciepła o mocy 15 kW/m² i więcej, można obliczyć z wykorzystaniem wzoru [9]:

W_min = 0,042 Q_^½max

gdzie: W_min – minimalna odległość od ognia [m], Q_max – oczekiwany strumień ciepła powstały w pożarze [kW].

W przypadku bardziej skomplikowanych układów architektonicznych (np. pasaże handlowe, garaże) weryfikacja, czy promieniowanie od obszaru objętego pożarem oraz jednocześnie od warstwy gorącego dymu nie przekracza wartości zagrażającej samozapalaniem materiałów palnych, a więc rozprzestrzenianiu się ognia, podobnie jak przy ocenie systemów wentylacji pożarowej może być wykonana na drodze obliczeń numerycznych rozprzestrzeniania się dymu i ciepła z wykorzystaniem metody komputerowej mechaniki płynów (CFD). W tym wypadku w czasie analizy CFD najważniejszym z wykorzystywanych podmodeli fizycznych jest model promieniowania. Jego działanie polega na obliczaniu strumienia ciepła transportowanego na drodze promieniowania z każdego miejsca, w którym znajduje się dym i gorące produkty spalania do każdej powierzchni w modelu, dzięki czemu wynikiem jego pracy jest dokładne pole powierzchni zagrożonej zbyt dużym strumieniem ciepła.

Praktycznym zastosowaniem przytoczonej metodologii może być np. wyznaczenie odpowiednich odległości między regałami w magazynach wysokiego składowania czy wyznaczenie pasów materiałów nierozprzestrzeniających ognia pomiędzy boksami w biurach typu open-space. Taki nietypowy podział przestrzeni nie zapewni pełnej ochrony przed rozwojem pożaru, ale cenne minuty np. do przybycia Straży Pożarnej, które uda się dzięki niemu uzyskać, mogą stanowić różnicę między pożarem lokalnym a globalnym zniszczeniem strefy pożarowej.

Rys. 4 Badania nad wykorzystaniem kurtyn powietrznych – eksperyment (lewy rysunek) oraz analizy CFD (prawy rysunek) [10]

Kurtyny powietrzne

W niektórych szczególnych obiektach budowlanych, takich jak tunele drogowe lub kolejowe z zamontowaną trakcją elektryczną, nie istnieją techniczne możliwości zastosowania stałych lub ruchomych przegród budowlanych oddzielających je np. od stacji czy torów odstawczych. Trudno sobie wyobrazić bramę przeciwpożarową skutecznie zamykającą przestrzeń bez naruszenia integralności trakcji kolejowej. Alternatywnym rozwiązaniem dla tych przestrzeni jest metoda wykorzystania kurtyn powietrznych do wydzielenia obszarów budynku [10]. Kurtyna powietrzna nachylona pod kątem względem płaszczyzny pionowej może stanowić barierę uniemożliwiającą przepływ dymu i gorących gazów pożarowych poza obszar jej oddziaływania (rozprzestrzeniania się ognia), jednocześnie intensywnie mieszając i chłodząc gazy pożarowe po stronie objętej pożarem. Wymagana prędkość powietrza pozwalająca uzyskać ten efekt zależy od mocy pożaru, jego odległości od urządzenia oraz kąta nachylenia kurtyny. Wszystkie te parametry są obecnie przedmiotem badań m.in. w Zakładzie Badań Ogniowych ITB, jednak już teraz urządzenia tego typu potwierdziły swoją przydatność w oddzielaniu zagrożonych i bezpiecznych przestrzeni w budynku.

Podsumowanie

Współczesny inżynier dysponuje wieloma nowoczesnymi narzędziami pozwalającymi na znacznie precyzyjniejsze niż dotychczas przewidywanie rozprzestrzeniania się pożaru w budynkach. Do standardowych, wynikających z przepisów, rozwiązań bazujących na podziale przestrzeni budynku, wyznaczaniu stref pożarowych i wydzielaniu ich elementami oddzieleń przeciwpożarowych doszły metody numeryczne, bardzo często potwierdzane eksperymentami in-situ, np. próby dymowe (fot. 3), które pozwalają na uzyskanie informacji, co dzieje się w danej strefie, w danym czasie itd. Istnieje wiele dowodów, np. pożary w obiektach, potwierdzających dużą dokładność antycypacji tych metod, co w przyszłości powinno przełożyć się na jeszcze większy ich udział we wszelkich analizach związanych z rozprzestrzenianiem się pożaru w budynkach.

Fot. 3 Próba dymowa z gorącym dymem służące weryfikacji skuteczności działania wentylacji pożarowej w obiekcie, wraz z oceną utrzymania dymu w jednej strefie dymowej (badania własne ITB)

Zgodnie z [2] przez strefę pożarową należy rozumieć budynek albo jego część oddzieloną od innych budynków lub innych części budynku elementami oddzielenia przeciwpożarowego (ściany, stropy, drzwi, bramy, przedsionki itp. o odpowiedniej klasie odporności ogniowej) lub wolnym terenem o odpowiedniej szerokości. W większości powszechnie spotykanych rozwiązań, a więc w przypadku kiedy klatka schodowa jest obudowana i zamykana drzwiami o klasie odporności ogniowej EI 30 oraz wyposażona jest w urządzenia zapobiegające lub usuwające zadymienie, przy spełnieniu wymagań dodatkowych można stosować drzwi dymoszczelne, kondygnacja również jest traktowana jako oddzielna strefa pożarowa.

Wielkość strefy pożarowej uzależniona jest przede wszystkim od przeznaczenia i sposobu użytkowania budynku: ZL – mieszkalne, zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej; PM – produkcyjne i magazynowe; IN – inwentarskie. W dalszej kolejności w przypadku budynków ZL powierzchnia strefy pożarowej zależy od kategorii zagrożenia ludzi (od ZL I do ZL V), wysokości budynku i liczby kondygnacji oraz wyposażenia w stałe urządzenia gaśnicze tryskaczowe i/lub samoczynne urządzenia oddymiające uruchomiane za pomocą systemu wykrywania dymu. Przykładowa powierzchnia strefy pożarowej dla budynku wysokiego (>25 m) i wysokościowego (>55 m) dla kategorii ZL II wynosi 2000 m², podczas gdy dla budynku o jednej kondygnacji, np. ZL I lub III, graniczna jej wartość wynosi 10 000 m² i po spełnieniu pewnych wymagań może być powiększona aż o 200%. W przypadku budynków PM wielkość strefy pożarowej zależy od gęstości obciążenia ogniowego (im jest ono większe, tym dopuszczalna strefa pożarowa jest mniejsza), zagrożenia wybuchem oraz liczby kondygnacji w budynku i jego wysokości. Podobnie jak poprzednio strefy pożarowe w budynkach PM można powiększyć, w tym wypadku maksymalnie o 150% w przypadku wyposażenia ich w stałe samoczynne urządzenia gaśnicze wodne i samoczynne urządzenia oddymiające. Do kategorii PM zaliczamy również garaże, dla których zostały określone odmienne wymagania. W przypadku budynków IN kryteriami wyznaczającymi wielkość strefy pożarowej są m.in. liczba kondygnacji oraz sposób hodowli (ściółkowy lub bezściółkowy).

dr inż. Paweł Sulik

Zakład Badań Ogniowych ITB, SGSP

mgr inż. Wojciech Węgrzyński

Zakład Badań Ogniowych ITB

Bibliografia

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG.

2. 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 późn. zm.).

3. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 109, poz. 719 z późn. zm.).

4. G. Krajewski, W. Węgrzyński, P. Głąbski, Projektowanie systemów wentylacji pożarowej w obiektach budowlanych, Materiały szkoleniowe, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2014.

5. PN-EN 12101-1 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 1: Wymagania techniczne dotyczące kurtyn dymowych.

6. PN-EN 1363-1 Badania odporności ogniowej – Część 1: Wymagania ogólne.

7. L. Rudniak, G. Sztarbała, G. Krajewski, Zastosowanie obliczeniowej mechaniki płynów [CFD] do prognozowania rozprzestrzeniania dymu i transportu ciepła w obiektach budowlanych, „Inżynieria i aparatura chemiczna” nr 1/2010.

8. W. Węgrzyński, Przepływ dymu i ciepła w wielkokubaturowym obiekcie budowlanym w warunkach pożaru, „Budownictwo i Architektura” nr 12(2)/2013. NFPA 204: Standard for Smoke and Heat Venting, Edition 2012.

9. G. Krajewski, Verification of CFD model of air curtain used for smoke free zone separation in case of fire, 20th International Conference on Computer Methods in Mechanics, Poznań 2013.

10. S. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow: Computational Methods in Mechanics and Thermal Science, Hemisphere Publishing Corporation, 1980.

11. C. Baukal, V. Gershtein, X. Li, Computational Fluid Dynamics in Industrial Combustion, CRP Press, 2000.