Posouzení ohrožení osob polykarbonátovými konstrukcemi Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Těšínská 39, 746 01 Opava e-mail:
[email protected]
Klíčová slova Kouř, plyny, teplota, polykarbonáty
Abstrakt Příspěvek se zabývá popisem metody určené k posuzování teplot v uzavřených prostorách stavebních objektů s vazbou na ohrožení osob polykarbonátovými konstrukcemi. Uvedená metoda posuzování byla podkladem pro zpracování grafických závislostí, umožňujících určení teplot plynů ve sledovaném časovém intervalu. Principy výpočtu byly zvoleny tak, aby grafické závislosti doby evakuace osob a dosažených průměrných teplot v prostoru, bylo možné považovat za konzervativní.
Úvod Současné stavební trendy přispívají stále intenzivněji k využití hmot na bázi plastů. Jejich aplikační rozsah je značný. Uvedené materiály jsou využívány rovněž jako prosvětlovací konstrukce. Mezi nejvýznamnější druhy výrobků v této oblasti stavebnictví lze zařadit konstrukce na bázi polykarbonátů. Polykarbonátové konstrukce jsou dnes běžnou součástí střešních plášťů a obvodových stěn, přičemž vykazují velmi dobré vlastnosti tepelně izolační, odolnost proti povětrnostním vlivům, umožňují dobrý prostup světla, jsou tvarovatelné za studena apod. Při vzniku a rozvoji požáru dochází k jejich tepelnému namáhání, měknutí, deformacím a následnému odkapávání a odpadávání. Uvedené charakteristické jevy mohou negativně působit na osoby unikající z prostoru ohroženého požárem.
Požárně technické charakteristiky polykarbonátů požadavky z hlediska požární ochrany
a
technické
Materiály na bázi polykarbonátů vykazují zpravidla stupeň hořlavosti C1 dle ČSN 73 0862 a index šíření plamene is ≈ 40 až 50 mm.min-1 dle ČSN 73 0863. Ve smyslu ČSN 73 0865 tyto konstrukce převážně jako hořící neodkapávají ani neodpadávají, přičemž odkapávají nebo odpadávají jako nehořící. Požárně technické charakteristiky konkrétních druhů polykarbonátů vyplývají z protokolů o zkouškách provedených příslušnými oprávněnými subjekty. Při posuzování prosvětlovacích konstrukcí na stavbách je nutné zachovat určitou míru obezřetnosti. V současné době se na trhu vyskytuje řada materiálů, které jsou polykarbonátům velmi podobné, ovšem vykazují odchylné požárně technické charakteristiky (např. desky 1
z akrylátového extrudovaného a litého skla, desky z polyvinylchloridu). Konstrukce z těchto materiálů mohou vykazovat nejen odchylný stupeň hořlavosti a index šíření plamene, ale také jiné vlastnosti z hlediska odkapávání (např. mohou odkapávat a odpadávat jako hořící). Ve smyslu technických předpisů požární bezpečnosti staveb je u průsvitných střešních plášťů, světlíků a jiných konstrukcí, které mohou měknout, deformovat se a během evakuace jako nehořící odpadávat nutné navrhnout takové opatření, aby unikající osoby nebyly uvedenými konstrukcemi ohroženy (např. instalace záchytných sítí). Z důvodů provozních a estetických je ovšem dodatečná instalace konstrukcí zabraňujících ohrožení osob přijímána investory staveb zpravidla negativně. Další možností je posouzení ohrožení osob srovnáním průměrné teploty plynů v místě těchto konstrukcí a teploty jejich měknutí nebo ztráty stability. Pokud ve sledovaném časovém intervalu nedojde k popisovaným změnám, nebudou unikající osoby polykarbonátovými konstrukcemi ohroženy a není nutné navrhovat další opatření.
Teoretické posouzení ohrožení osob polykarbonáty V následujících odstavcích je blíže rozveden jeden z možných způsobů stanovení teplot v uzavřených prostorách stavebních objektů. Mezi stěžejní vstupní hodnoty uvedené metody lze zařadit tepelný tok sdílený konvekcí a hmotnostní množství kouřových plynů. Naznačený princip řešení s využitím zpracovaných grafických závislostí, lze považovat za relativně jednoduchou metodu využitelnou také pro řadu praktických aplikací.
Stanovení průměrné teploty plynů při požáru Nárust teploty plynných zplodin hoření lze stanovit rovnicí Θ=
Qk M ⋅ cP
kde Θ Qk M cP
[K]
(1)
nárust teploty plynných zplodin hoření [K] konvektivní tepelný tok [kW] množství plynných zplodin hoření [kg.s-1] měrná tepelná kapacita plynů [kJ.kg-1.K-1]
Průměrnou teplotu plynných zplodin hoření lze stanovit rovnicí T g = T0 + Θ kde Tg T0 Θ
[K]
(2)
teplota plynných zplodin hoření [K] teplota okolního vzduchu [K] nárust teploty plynných zplodin hoření [K]
Pokud teplota plynných zplodin hoření Tg nedosahuje teploty měknutí nebo ztráty stability polykarbonátové konstrukce Tp a tedy platí Tg < T p , je zřejmé, že osoby nebudou polykarbonátovými konstrukcemi.
ohroženy
2
odkapávajícími
nebo
odpadávajícími
Zatřídění do charakteristického druhu požáru Dynamika požáru je ovlivněna celou řadou faktorů (geometrické parametry prostoru, přístup kyslíku, charakter hořlavých látek apod.). Různorodost a rozsah faktorů komplikuje posuzování rozvoje požáru a následně také dosažených teplot. Pro hodnocení lze využít tzv. charakteristických druhů požáru (pomalý, střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru). V tabulce 1 jsou uvedeny závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, požárním a průměrným požárním zatížením, skupinami výrob a provozů a skupinami provozů skladů [4]. Tab. 1 Závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, požárním zatížením, průměrným požárním zatížením, skupinami výrob a provozů a skupinami provozů skladů Charakteristický druh požáru
Požární zatížení dle Skupina provozů a výrob dle ČSN 73 0802 ČSN 73 0804 nebo průměrné požární zatížení dle (nebo skupina provozů skladů dle ČSN 73 0845) ČSN 73 0804 -2 [kg.m ]
Pomalý rozvoj požáru Střední rozvoj požáru Rychlý rozvoj požáru Velmi rychlý rozvoj požáru
p;p ≤ 6,5
1 (I)
6,5 < p;p ≤ 25
2 (II), 3 (III)
25 < p;p ≤ 100
4 (IV), 5 (V)
p;p > 100
6 (VI), 7 (VII)
Stanovení uvolňovaného tepelného toku Výsledky výzkumu oblasti rozvoje požáru ukazují, že po iniciaci může být požár popsán jednoduchou kvadratickou rovnicí vyjadřující velikost uvolňovaného tepelného toku. Tepelný tok uvolňovaný při rozvoji požáru lze dle [2] popsat také rovnicí 2
t Q = 1000 ⋅ kv kde Q tepelný tok [kW] t doba od iniciace požáru [s] kv růstová konstanta [s.MW-1/2]
[kW]
Typické hodnoty růstových konstant jsou uvedeny v tab. 2. Tab. 2 Typické hodnoty růstových konstant pro jednotlivé druhy požáru Druh požáru
Hodnota růstové konstanty [s.MW-1/2]
Pomalý rozvoj požáru
600
Střední rozvoj požáru
300
3
(3)
Rychlý rozvoj požáru
150
Velmi rychlý rozvoj požáru
75
Hodnotu růstové konstanty není nutné vždy stanovit pouze s vazbou na charakteristické druhy požárů jak je uvedeno v předchozích odstavcích, ale dle [3] lze uvedenou konstantu stanovit výpočtem s vazbou na technických standard reprezentovaný ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804.
Stanovení množství plynných zplodin hoření Tvorbu plynných zplodin hoření a jejich šíření stavebním objektem lze hodnotit různými metodikami. Rozsah metod zabývajících se posuzováním kouřových plynů z hlediska kvantity je poměrně značný (např. FIRECALC, ASMET, FPEtool, CFAST). Matematické vyjádření jednotlivých metod je rozvedeno v dostupné technické literatuře [např. 1, 2, 4]. Metody pro stanovení množství plynných zplodin hoření jsou často založeny na experimentálních výsledcích a empirických poznatcích. Jednotlivé metody výpočtu zahrnují nejen rozdílný rozsah vstupních hodnot, ale také často zcela odlišné požadavky na jejich charakter. Některé z hodnot, které bývají vyžadovány, mohou být do značné míry ovlivněny konkrétním provozem hodnoceného prostoru a nejsou pro obecné aplikace příliš vhodné. Bylo prokázáno [5], že rozdílnými metodami výpočtu, obdržíme výsledky s diferencí mnohdy 100 % a více. Pro praktické aplikace se jako nejvíce využitelné jeví metody, kde tvorba plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního je funkcí uvolňovaného tepelného toku a výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů. Při posuzování diferencí mezi hodnotami získanými těmito metodami byly získány přibližně 20% rozdíly. Podrobnější popis uvedených metod není pro hodnocení uvedené problematiky zpracovanými grafickými závislostmi smysluplný a rovněž překračuje možnosti tohoto příspěvku.
Stanovení výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů Jednou z dominantních vstupních hodnot pro posuzování hmotnostního množství plynných zplodin hoření je stanovení výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů. Výška přisávání vzduchu je rovněž jednou ze vstupních hodnot při využití grafických závislostí na obr. 1 až 4. Kouřové plyny uvolněné požárem stoupají ke stropu místnosti. Do sloupce kouřových plynů je přisáván chladnější okolní vzduch, což způsobuje zvětšení objemu a zejména snižování teploty plynů. Sloupec kouřových plynů postupně stoupá až k úrovni stropu nebo podhledu místnosti. Následně dochází ke změnám směru proudění plynů, při současném přisávání dalšího chladnějšího vzduchu do kouřové vrstvy. Kouřové plyny začínají vytvářet vrstvu, která se prohlubuje. Prohlubováním vrstvy plynů se zmenšuje vzdálenost, kterou urazí plyny od zdroje, než dosáhnou kumulované vrstvy plynných zplodin hoření. Zkracováním dráhy šíření kouřových plynů dochází ke zmenšování objemu přisávaného vzduchu a tím ke zvyšování teploty plynných zplodin hoření. Obecně lze konstatovat, že největší množství okolního vzduchu je do sloupce kouřových plynů přisáváno při jeho vertikálním proudění nebo při změnách směru pohybu. Při horizontálním proudění plynů je přisávání vzduchu zanedbatelné.
4
Při stanovení výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů je nutné zohlednit zejména a) výškovou úroveň hořlavých materiálů v prostoru, b) hloubku kumulovaných kouřových plynů pod stropní konstrukcí ve sledovaném časovém intervalu (zpravidla v době ukončení evakuace osob, které jsou ohroženy polykarbonátovou konstrukcí). Výškovou úroveň hořlavých materiálů v prostoru lze stanovit jako vážený průměr vzdáleností mezi hořlavými materiály a stropní nebo podhledovou konstrukcí. Výšku přisávání vzduchu se zohledněním výškové úrovně hořlavých materiálů v prostoru h1 lze stanovit rovnicí n
h1 =
∑S i =1
Si hi
⋅ hi [m]
n
∑S i =1
kde h1
i
(4)
i
výška přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů se zohledněním výškové úrovně hořlavých materiálů v prostoru [m] plocha i-tého hořlavého materiálu [m2] výška mezi povrchem i-tého hořlavého materiálu a stropní konstrukcí [m]
Při praktických aplikacích může stanovení výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů se zohledněním výškové úrovně hořlavých materiálů v prostoru h1 působit určité problémy. Důvodem je zejména nedostatek informací o vybavení interiéru místností. V prostorách administrativního charakteru, bytových objektů a služeb lze výškovou úroveň hořlavých materiálů v prostoru h1 odhadnout následující rovnicí h1 = hs − δh
[m]
(5)
kde h1 hs δh
výška přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů se zohledněním výškové úrovně hořlavých materiálů v prostoru [m] světlá výška prostoru [m] 20 až 30 % hs (doporučeno 25 %) [m]
Stanovení výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů se zohledněním výškové úrovně hořlavých materiálů v prostoru h1 dle rovnice (5) je na straně bezpečnosti. Výškovou úroveň přisávání vzduchu u objektu jiného charakteru (např. výrobní provozy) je nutné stanovit konkrétním výpočtem. Pro určení hodnoty δh pro všechny druhy provozu, by bylo nutné provést řadu statistických srovnání. Při stanovení výšky přisávání okolního vzduchu do sloupce kouřových plynů je nutné dále zohlednit hloubku kumulovaných kouřových plynů pod stropní konstrukcí ve sledovaném časovém intervalu. Úpravou rovnice vyjadřující závislost mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření a výšky stropní konstrukce nad požárem [1] lze stanovit výslednou výšku přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů
5
−2 −4 h2 = 0,91 ⋅ t u ⋅ k v 5 ⋅ h1 5 kde h2 tu kv h1 A
A ⋅ 2 h 1
−3
5
−1, 45
⋅ h1
(6)
výsledná výška přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů [m] doba evakuace osob [s] růstová konstanta [s.MW-1/2] výška přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů se zohledněním výškové úrovně hořlavých materiálů v prostoru [m] plocha prostoru [m2]
Rovnice (6) je využitelná při splnění následujících podmínek A h2
2
= 0,9 ÷ 23 a současně h2 ≥ 0,2 ⋅ h1
(7)
V případě, že jsou mezní podmínky překročeny, nelze rovnici (6) pro stanovení výsledné výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů využít. Pokud poměr h2 h 1 ≥ 1 lze konstatovat, že kouřové plyny kumulující se pod stropní nebo podhledovou konstrukcí dosud nezačaly klesat (potom platí h2 = h1 ).
Stanovení teplot v prostoru s využitím grafických závislostí Pro posuzování teplot v uzavřených prostorách byly zpracovány grafické závislosti (obr. 1 až 4). Grafické závislosti byly zpracovány pro charakteristické druhy požáru.
Předpoklady pro zpracování grafických závislostí Uvolňovaný tepelný tok pro charakteristické druhy požáru byl stanoven rovnicí (3), přičemž velikosti růstových konstant kv odpovídaly jednotlivým druhům charakteristických požárů (pomalý, střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru). Při posuzování se předpokládalo 80 % tepla sdíleného konvekcí (odpovídá návrhu evropské normy EN 12 101). Množství kouřových plynů bylo stanoveno zónovým modelem ASMET (Atria Smoke Management Engineering Tools) [1]. Grafické závislosti byly zpracovány pro výsledné výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 5, 7, 10 a 15 m. Hodnota virtuálního počátku sloupce kouřových plynů byla zanedbána. Výpočty byly provedeny za předpokladu teploty okolního vzduchu 20 °C a měrné tepelné kapacity plynů 1,005 kJ.kg-1.K-1.
Popis grafických závislostí doby evakuace osob a teplot plynů v prostoru Na vodorovné ose grafických závislostí znázorněných na obr. 1 až 4, je uvedena doba evakuace osob v minutách (v rozsahu 0,25 až 5 minut). Na vertikální ose je znázorněná teplota ve stupních celsia. Výsledná výška přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů h2 je uvedena v legendě pod jednotlivými grafy (rozsah 1 až 15 m).
6
Na základě stanovené doby evakuace osob tu, výsledné výšky přisávání okolního vzduchu do sloupce kouřových plynů h2 a dynamiky požáru vyjádřené některým z charakteristických druhů požáru (pomalý, střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru) lze stanovit předpokládanou průměrnou teplotu plynů v hořícím prostoru. Tg 400
Teplota plynů Tg [°C]
350 300 250 200 150 100 50 0 0,25
0,75
1,25
1,75
2,25
2,75
3,25
3,75
5
7
4,25
4,75
Čas tu [min] 1
1,5
2
2,5
3
10
15 m
Obr. 1 Teploty plynů pro pomalý rozvoj požáru 600
Teplota plynů Tg [°C]
500 400 300 200 100 0 0,25
0,75
1,25
1,75
2,25
2,75
3,25
3,75
4,25
4,75
10
15
Čas tu [min] 1
1,5
2
2,5
3
5
7
Obr. 2 Teploty plynů pro střední rozvoj požáru
7
700
Teplota plynů Tg [°C]
600 500 400 300 200 100 0 0,25
0,75
1,25
1,75
2,25
2,75
3,25
3,75
4,25
4,75
10
15
3,75
4,25
4,75
7
10
15
Čas tu [min] 1
1,5
2
2,5
3
5
7
Obr. 3 Teploty plynů pro rychlý rozvoj požáru 800
Teplota plynů Tg [°C]
700 600 500 400 300 200 100 0 0,25
0,75
1,25
1,75
2,25
2,75
3,25
Čas tu [min] 1
1,5
2
2,5
3
5
Obr. 4 Teploty plynů pro velmi rychlý rozvoj požáru
8
Postup pro stanovení průměrných teplot s využitím grafických závislostí K prognóze průměrné teploty v posuzovaném prostoru s vazbou na předpokládanou dobu evakuace osob je nutné a) stanovit hodnotu požárního nebo průměrného požárního zatížení (metodiky ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804), b) na základě požárního zatížení a tab. 1 zařadit provoz (využití prostoru) do příslušného charakteristického druhu požáru, c)
stanovit předpokládanou dobu evakuace osob z prostor, kde mohou být osoby ohroženy polykarbonátovou konstrukcí (metodiky ČSN 73 0802, ČSN 73 0804),
d) s využitím rovnic (4), (5) a (6) stanovit výslednou výšku přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů, e)
ověřit možnost využití rovnice (6) rovnicemi (7),
f)
na základě předpokládané doby evakuace osob a výsledné výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů stanovit z grafických závislostí (obr. 1 až 4) průměrnou teplotu plynů v prostoru.
Závěrečná shrnutí V příspěvku byla rozvedena možnost posouzení ohrožení osob měknutím nebo ztrátou stability polykarbonátových konstrukcí. Popisovanou metodu s využitím grafických závislostí lze považovat za metodu konzervativní. Důvodem jsou zejména následující skutečnosti 1.
Při stanovení hodnoty uvolňovaného tepelného toku byla zanedbána tzv. indukční perioda (intenzita nárůstu tepelného toku bude v počátečním stádiu rozvoje skutečných požárů menší).
2.
Korekce výšky přisávání okolního vzduchu do sloupce kouřových plynů dle rovnice (6) zohledňuje místo prvního zpozorování úrovně kumulovaných plynů (účinná výška přisávání vzduchu bude zpravidla větší).
3.
Doporučená hodnota snížení světlé výšky místnosti s vazbou na výškové umístění hořlavých materiálů v místnosti pro uvedené druhy provozu je vyšší než hodnoty zjištěné statistickým srovnáním pro vybrané druhy provozu.
Srovnáním výstupů získaných grafickými závislostmi je zřejmé, že s narůstající předpokládanou dobou evakuace osob a narůstající hodnotou uvolňovaného tepelného toku dochází k nárůstu teplot v hořícím prostoru. Naopak se vzrůstající vzdáleností mezi povrchem hořlavých materiálů a kumulovanou vrstvou kouře (výška přisávání okolního vzduchu do sloupce kouřových plynů) a hodnotou množství kouřových plynů dochází ke snižování teplot v hořícím prostoru. Popisovaná metoda umožňuje i bez detailních znalostí řešené problematiky stanovit průměrné teploty plynů, provést prognózu chování hmot na bázi polykarbonátů a následně posoudit ohrožení osob polykarbonátovými konstrukcemi. Matematické vztahy uvedené v předchozích odstavcích jsou využitelné pouze v přímém kontextu s posuzováním polykarbonátových konstrukcí dle principů uvedených v příspěvku. Uvedená metoda stanovení teplot ve stavebních objektech představuje jednu z možností různých způsobů řešení stanoveného problému. Možnosti posuzování teplot v uzavřených
9
prostorách jsou podstatně širší a při podrobnějším zkoumání mohou poskytnou řadu podnětných poznatků. Grafické závislosti znázorněné na obr. 1 až 4 současně dokládají, že průměrné teploty plynů, zejména ve fázi rozvoje požáru, jsou často nesrovnatelně nižší než předpokládá technická veřejnost zabývající se požární ochranou. Tato skutečnost je sice v převážné většině případů přínosem (např. z hlediska tepelného namáhání stavebních konstrukcí), ovšem v určitých situacích může působit také negativně (např. předpoklad porušení okenních otvorů v době evakuace osob a tím snížení rizika působení kouřových plynů může být nesprávný).
Literatura [1]
Klote, H. J.: Method of Prediction Smoke Movement in Atria With Apllication to Smoke Management. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 1994, 98 s.
[2]
Deal, S.: Technical Reference Guide for FPEtool Version 3.2. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 1995, 149 s.
[3]
Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s.
[4]
Pokorný, J.: Doktorská disertační práce, Zplodiny hoření, jejich tvorba a vliv na bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, 2001, 102 s.
[5]
Pokorný, J.: Srovnání metod pro posuzování kouřových plynů z hlediska kvantitativního. Praha, MV-generální ředitelství HZS ČR v časopise 150-HOŘÍ č. 10/03, 2003, s. 11-13, ISSN 0862-8467.
10
