Ochrona przeciwpożarowa w obiektach użytku publicznego stanowi nie lada wyzwanie zarówno dla projektantów zabezpieczeń, jak i dla wszelkich służb ratowniczych szybkiego reagowania. Sprawa jest jeszcze bardziej znacząca, gdy dotyczy obiektów stałego bądź tymczasowego przebywania ludzi o ograniczonej sprawności ruchowej. Niewątpliwie budynki należące do placówek ochrony zdrowia zaliczają się do grupy najbardziej zagrożonych w warunkach pożaru. W związku z powyższym, właściwe diagnozowanie zagrożeń w obiektach szpitalnych, wymaga użycia najlepszych dostępnych rozwiązań analitycznych. Przed podjęciem decyzji o wyborze środków ochrony przeciwpożarowej, konieczne jest dokładne rozpatrzenie potencjalnego zagrożenia w realnym środowisku obiektu.
Wykorzystanie możliwości modelowania CFD (Computional Fluid Dynamics), stanowi jedną z najlepszych metod weryfikacji działania systemów bezpieczeństwa. Poniższe opracowanie podejmuje próbę rozpoznania zagrożeń powstałych w trakcie trwania pożaru, przy użyciu modelu FDS (Fire Dynamics Simulator). Symulacja pożaru została wykonana dla realnie istniejącego budynku szpitala im. G Narutowicza w Krakowie [Rys.1.]. Dzięki dostarczonym przez dyrekcję szpitala informacjom, wykonano model oddziałów kardiologicznego i internistycznego (pawilon od strony ul. Siemaszki), a następnie przeprowadzono próbę symulacyjną. Całość zrealizowano z użyciem programu PyroSim – interfejsu użytkownika FDS [Film.1.] [Rys.2.].
Rys.1. Budynek Szpitala im. G. Narutowicza w Krakowie
Film. 1. Prezentacja modelu symulacyjnego
Rys.2. Klatka schodowa w pawilonie od strony ul. Siemaszki
Zabezpieczenia przeciwpożarowe obiektu
Przed podjęciem możliwego scenariusza rozwoju pożaru, konieczne jest odwzorowanie systemów przeciwpożarowych zastosowanych w budynku. Po rozpoznaniu zabezpieczeń, wprowadzono je do modelu symulacyjnego FDS. Obiekt, którego dotyczy opracowanie, został zabezpieczony drzwiami przeciwpożarowymi o 30 minutowej wytrzymałości w warunkach pożaru (EI 30). Rozwiązanie to zostało jednak podjęte wyłącznie na obszarze pierwszego piętra. [Rys.3.]. W związku z powyższym, model symulacji nie uwzględnia zadymienia na poziomie pierwszego piętra.
Rys. 3. Drzwi przeciwpożarowe EI30
Lewe skrzydło szpitala na poziomie pierwszego piętra, jest odcinane ww. drzwiami w momencie aktywowania sygnału alarmowego [Rys.4]. Ponadto szpital jest wyposażony w gaśnice ręczne oraz podłączenia hydrantowe. Poza wymienionymi zabezpieczeniami, szpital nie posiada dodatkowych instalacji, które mogłyby redukować zagrożenie w warunkach pożaru.
Rys. 4. Drzwi przeciwpożarowe EI30
Scenariusze rozwoju pożaru
Realnym źródłem potencjalnego pożaru w przypadku analizowanego obiektu, uznano aptekę znajdującą się na parterze pawilonu szpitalnego [Rys.5.]. Na drodze ustaleń z SITP Małopolska, określono, że moc pożaru może wynosić 3MW, przy 4 minutowym wzroście do tej wartości. Biorąc pod uwagę, dymotwórczość potencjalnie skladowanych elementów znajdujących się na obszarze apteki, wyznaczono że dojdzie do emisji 0,05 kg sadzy na kg spalanego materiału. Mymienione powyżej wartości, stanowią jedne z podstawowych warunków brzegowych prowadzenia symulacji i zostały umieszczone w zapisie danych wejściowych FDS.
Rys. 5. Źródło pożaru - apteka szpitalna
Jako, że apteka nie była pierwotnie przewidziana w zabudowę obiektu, a jedynie później przestrzeń ta została zaadaptowana, strop apteki stanowi wyłącznie maskującą atrapę. Dlatego też przyjęto czas jego zniszczenia równy dwie minuty. Wtedy właśnie dym wydostaje się z apteki do przestrzeni atrialnej. W modelu symulacji przyjęto dezaktywację stropu po tym czasie.
Przeprowadzono trzy warianty symulacji, zgodnie z poniższym opisem:
Pożar z pełnym rozgorzeniem, bez akcjii gaśniczej
W tym wariancie symulacji przyjęto, że do pełnego rozgorzenia dochodzi po czterech minutach trwania pożaru. Wtedy to, moc wynosi 3 MW i w kolejnym czterech minutach pozostaje na stałym poziomie. Przyjęta krzywa wzrostu mocy w czasie, przedstawiona jest na rysunku 6. Utrzymanie mocy na poziomie 3 MW, związane jest z przyjęciem braku akcji gaśniczej. Biorąc pod uwagę powyższy fakt, wymieniony scenariusz stanowi wariant najniebezpieczniejszy, zagrażający intensywnie zarówno pod względem wysokiej temperatury, jak i zadymienia.
Rys. 6. Wykres mocy pożaru przy pełnym rozgorzeniu
Pożar z akcją gaśniczą
W przeciwieństwie do poprzedniego scenariusza, pożar zostaje stopniowo ugaszony na wskutek akcji gaśniczej. Po osiągnięciu mocy 3 MW, po czterech minutach od rozpoczęcia symulacji, dochodzi do podjęcia gaszenia. Wedle założeń bezpieczeństwa w budynku, proces ten ma być przeprowadzony przez pracowników szpitala z użyciem instalacji hydrantowej. Realna wartość strumienia objętościowego wody podczas akcji, wynosi 200 l/min. Przez następne cztery minuty dochodzi do zmniejszenia mocy, aż do pełnego ugaszenia w ósmej minucie symulacji. Przyjęta krzywa wzrostu mocy w czasie, przedstawiona jest na rysunku 7. Wymieniony scenariusz jest zgodny z planem akcji gaśniczej szpitala, i stanowi równocześnie wariant stosunkowo bezpieczny.
Rys.7. Wykres mocy pożary przy akcji gaśniczej
Pożar z akcją gaśniczą i oddymianiem
Jest to scenariusz pożaru z ugaszeniem, rozszerzony dodatkowo o oddymianie z użyciem klap oddymiających. W związku z ugaszeniem pożaru w tym samym czasie, moc pożaru kształtuje się tak samo jak w poprzednim scenariuszu i jest zgodny z wykresem na rysunku 7. Przyjęte okna posiadają łączną powierzcznie czynną równą 6 m2. Oddymianie odbywa się wyłącznie na zasadzie wentylacji grawitacyjnej, bez wymuszonego przepływu mechanicznego. Rozmieszczenie klap w modelu symulacyjnym prezentuje rysunek 8. Klapy otwierają się w momencie aktywacji czujki dymu umieszczonej bezpośrednio nad stropem apteki. Przyjęte rozwiązanie stanowi wyłącznie scenariusz koncepcyjny, gdyż obiekt nie posiada obecnie takich technicznych możliwości. Jak napisano wcześniej, w szpitalu funkcjonują wyłącznie środki ochrony w postaci drzwi odcinających oraz gaśnic, w związku z tym nie jest możliwe prowadzenie oddymiania zgodnie z trzecim scenariuszem.
Rys. 8. Rozmieszczenie klap dymowych
Wyniki symulacji - zadymienie
Symulacja została przeprowadzona do 10 minuty. Wizualizacja zadymienia w tym czasie dotyczy drugiego piętra oraz przestrzeni atrialnej obiektu. Jest to związane z faktem, że przestrzeń ta jest najbardziej zagrożona w warunkach pożaru. Filmy zostały zestawione o odpowiednich konfiguracjach. Film 2 prezentuje porównanie zadymienia przy pełnym rozgorzeniu z zadymieniem podczas stopniowego ugaszenia. W następnej jego części zestawia pożar ugaszony z pożarem, który dodatkowo oddymiany jest przez klapy oddymiające. W początkowej fazie trwania symulacji zadymienie odbywa się w sposób równomierny we wszystkich wymienionych powyżej wariantach. Za sprawą akcji gaśniczej po czwartej minucie, dochodzi do stopniowego wyklarowania się różnic pomiędzy trzema zaaranżowanymi stanami. Po dziesiątej minucie, wyraźnie zauważalne jest znacznie większe zadymienie kondygnacji, w przypadku pełnego rozgorzenia. Warto odnotować, że trudno zaobserwować wyraźne różnice pomiędzy obiektem wentylowanym i niewentylowanym. Należy jednak pamiętać, że rozważana analiza została podjęta na podstawie mało precyzyjnych wyników, w postaci wizualizacji dymu, który stosowany jest bardziej jako narzędzie prezentacyjne niż weryfikacyjne. W celu wskazania dokładnych wartości osiąganych temperatur i widoczności, wykorzystuje się precyzyjne płaszczyzny wynikowe.
Film. 2. Zadymienie na drugim piętrze szpitala
Wyniki symulacji - temperatura i widoczność
Symulacja komputerowa oferuje szereg różnorodnych narzędzi pozwalających na wyświetlanie wyników. Przedstawienie wartości parametrów poprzez animowane płaszczyzny wynikowe, stanowi obok wykresów jedno z najpowszechniejszych z nich. Dlatego też, w celu zdiagnozowania dokładnych poziomów temperatur i widoczności w trakcie trwania pożaru, zdecydowano się na użycie płaszczyzn wynikowych. Poniżej zestawiono wyniki symulacji z ich wykorzystaniem [Film 3].
Film. 3. Rozkład temperatur i zakresu widoczności na drugim piętrze szpitala
Wizualizacja wykazuje, że głównym zagrożeniem podczas pożaru jest zadymienie, które dla większości pomieszczeń drugiego piętra powoduje zmniejszenie widoczności poniżej 10 metrów. Rozkład temperatur nie jest tak niepokojący jak zasięg widoczności. Jednakże w celu zweryfikowania tego poglądu, przeprowadzono pomiar punktowy temperatury w wybranych trzech punktach w przestrzeni drugiego piętra. Wskazane miejsca stanowią reprezentatywne strefy tej kondygnacji, gdzie punkt 1 dotyczy najwyższego zagrożenia. Wykresy dotyczą scenariusza z gaszeniem oraz gaszenia z równoległym oddymianiem i zostały zaprezentowane na rysunkach (9,10,11). Wyniki pomiarów w trzech analizowanych punktach wykazują, że w pomieszczeniach szpitalnych nie dochodzi do przekroczenia dopuszczalnych temperatur przebywania ludzi. Jednakże punkt pomiarowy numer 1 świadczy, że z racji osiągnięcia temperatury bliskiej 90oC, niemożliwe jest prowadzenie ewakuacji na drodze głównej klatki schodowej. Interesujący jest równiż fakt, że zastosowanie oddymiania grawitacyjnego o przyjętej łącznej powierzchni oddymiania równej 6m2 prowadzi do zredukowania temperatury o zaledwie 10%. Zestawiając te wnioski z rezultatami pomiaru zasięgu widoczności, można stwierdzić, że ewentualne zastosowanie tego rozwiązania oddymiania grawitacyjnego, nie może stanowić kompletnego systemu zabezpieczenia obiektu. Konieczne jest zastosowanie większej powierzchni czynnej oddymiania lub też wprowadzenie wentylacji wymuszonej mechanicznie.
Rys. 9. Temperatura w punkcie 1 na pierwszym piętrze
Rys. 10. Temperatura w punkcie 2 na pierwszym piętrze
Rys. 11. Temperatura w punkcie 3 na pierwszym piętrze
Wymienione powyżej wnioski dotyczące rozkładu temperatur, są potwierdzone przez analizę z wykorzystaniem wyników przedstawionych na powierzchniach modelu geometrycznego. Wizualizacja [Film.4.] prezentuje temperaturę powietrza w strefie przyściennej w 10 minucie trwania symulacji. Jest przedstawiona w postaci animowanych powierzchni, zgodnych ze skalą odniesienia temperatur. Potwierdza przypuszczenia o niedrożności głównej klatki schodowej, równocześnie wykazując możliwość prowadzenia ewakuacji na drodze klatki ewakuacyjnej. Niestety nie dotyczy to wymogów dopuszczalnej widoczności, która w przypadku dróg ewakuacyjnych wynosi poniżej 5m (Film.3.).
Film. 4. Temperatura powietrza przy ścianach
Dodatkowe wnioski
W celu zweryfikowania warunków termicznych panujących w bezpośrednim otoczeniu pożaru, wykonano pomiar punktowy wewnątrz apteki. Pomiar wykazuje, że w odległości dostępnej do podjęcia akcji gaśniczej, nie ma możliwości jej prowadzenia bez odpowiedniego wyposażenia. Zakładając, że gaszenie jest podejmowane po 4 minutach od rozpoczęcia pożaru, temperatura może uniemożliwiać jego prowadzenie przez pracowników szpitala (zgodnie z założeniem). Na rysunku 12 zaprezentowano wykres zmiany temperatury w czasie, we wcześniej wymienionym punkcie pomiarowym. Przyjmując nawet skuteczne gaszenie i obniżanie temperatury, w momencie podjęcia akcji temperatura przekracza wyraźnie 100oC. W związku z powyższym, należy zwrócić szczególną uwagę na metodę prowadzenia gaszenia, a nawet na możliwość wprowadzenia dodatkowych zabezpieczeń.
Rys. 12. Temperatura w aptece (bezpośrednia strefa pożaru)
Trudne warunki związane z zadymieniem i częściowo wysoką temperaturą, są spowodowane głównie przez brak odpowiedniego systemu oddymiającego. Sytuacja ta mogłaby się diametralnie zmienić, gdyby tylko doszło do degradacji stropu z równoczesnym upustem dymu i energii. Jednakże aby do tego doszło, pożar musiałby wygenerować wystarczająco wysoką temperaturę przy stropie. Dlatego wykonano pomiar punktowy w miejscu potencjalnie najbardziej narażonym (bezpośrednio nad pożarem). Poniższy wykres (Rys.13.) prezentuje jednak, że zniszczenie stropu nie jest możliwe, przy założeniu ugaszenia pożaru po około 10 minutach. Temperatura pod stropem osiąga wyłącznie wartość 110oC, co świadczy o nie przekroczeniu wytrzymałości termicznej szkła budującego doświetlenie stropu.
Rys. 13. Temperatura przy stropie
Wykonana symulacja niesie ze sobą wiele przesłanek, które wskazują jednoznacznie na konieczność zastosowania dodatkowych zabezpieczeń obiektu. Kłopotliwa sytuacja dotyczy w głównej mierze drugiego piętra, którego przestrzeń, jak wykazano jest wyraźnie zagrożona ze względu na ograniczoną widoczność. Dodatkowo odcięcie klatek schodowych dostępnych do ewakuacji, uniemożliwia prowadzenie ewakuacji na ich drodze. Bezpieczne wyprowadzenie pacjentów przebywających w obiekcie w trakcie trwania zagrożenia, jest możliwe wyłącznie poprzez okna, z użyciem wozów strażackich. Wymienione rozwiązanie jest stosunkowo kłopotliwe, jednakże scenariusz przeciwpożarowy przewiduje prowadzenie akcji ratowniczej na tej drodze. Pomimo to, wskazane jest wprowadzenie dodatkowych zabezpieczeń, które mogłyby udostępnić klatki schodowe jako przestrzeń dostępną do ewakuacji. Ostatecznie pozwoli to na wyraźne zwiększenie bezpieczeństwa i poprawienie skuteczności akcji ratunkowej.