Šíření požáru instalačními šachtami – část 2.

Předchozí kapitoly se věnovaly správnému konstrukčnímu provedení. Chceme-li provést zhodnocení rizik vertikálního šíření požáru, je nutné vzít v úvahu chybné konstrukční řešení šachet.

Nedostatky a problematická úskalí spočívají zejména ve:

● nečistotách usazovaných v šachtách, zejména prachu a mastnotě (odtahy z kuchyňských provozů),

● odpadcích vhazovaných do šachet nejen při výstavbě (papír, plastové láhve, nedopalky cigaret atd.),

● nedostatečné požární odolnosti svislého pláště šachty (umakartová jádra v panelové výstavbě, plechové pláště elektroinstalačních šachet),

● neprovedených, popř. chybně řešených protipožárních ucpávkách,

● revizních dvířkách (dveřích) s nedostatečnou požární odolností (průběžné a kombinované šachty),

● nepřístupnosti prostor stávajících šachet pro možnost požární sanace (každý prostor jiný vlastník).

 

Obecně se lze v objektech setkat se dvěma typy šachet:

● šachty s rozvody technických instalací – bytové, elektroinstalační (přístupné ze společných částí domů – schodiště, chodby), výtahové, vzduchotechnické šachty apod.,

● volné šachty (bez instalací) – prosvětlovací a větrací šachty (světlíky) ve starší zástavbě, šachty pro shozy prádla a odpadků, šachty pro odvody kouře a tepla, schodišťové „šachty“ apod.

Z hlediska šíření požáru jsou rizikové zejména první dva zmiňované druhy šachet. V bytových šachtách vzniká téměř vždy ohnisko požáru mimo šachtu (obr. 1), nejčastěji pak v kuchyni. Z pohledu elektroinstalačních šachet je riziko jak v šachtě (zkrat kabelu, elektroměry), tak pod šachtou, kde bývají umístěny např. v podzemním podlaží objektové elektrorozvaděče, popř. jiné rizikové prostory (např. garáže). Šachta se většinou stává pro požár pouze prostředníkem a riziko rozšíření požáru do navazujících prostor je přímo úměrné (ne)kvalitě požárního řešení šachty.

 

Komínový efekt

Při požáru v budovách kouř často migruje netěsnostmi do míst i značně vzdálených od ohniska požáru, a tak může výrazně ohrozit životy lidí, kteří o vzniku požáru nemusí mít v tu chvíli ani tušení, následně může blokovat evakuaci osob, ztěžovat protipožární zásah a v neposlední řadě způsobovat značné hmotné škody na zakouřeném majetku.

Komínový efekt je hlavní hnací silou pohybu kouře v budovách, a to zejména v prostorách šachtového charakteru. Komínový efekt má za následek proudění buď směřující směrem do šachty, nebo ze šachty, a to v každém podlaží, se kterým je šachta propojena. Další hnací síly pohybu kouře jsou např. vztlak a expanze hořících plynů, systém vytápění, ventilace a klimatizace apod.

V šachtách propojených s vnějším prostředím (např. infiltrací, ventilací, otvory apod.) má vzduch běžně stoupající charakter, je-li venku chladno. Vztlakové síly působí na vzduch v budově (šachtě) díky jeho vyšší teplotě a menší objemové hmotnosti oproti vzduchu vnějšímu. Nicméně v případě přirozeného proudění může mít komínový efekt i klesající charakter proudění v šachtách, a to zejména v klimatizovaných budovách a horkých dnech. Stoupající proudění v šachtách je možné označit jako normální komínový efekt a klesající proudění jako obrácený (reverzní) komínový efekt [4].

 

Požární inženýrství, matematické modelování

Požární inženýrství je pojem, který se v posledních letech rozšiřuje z oblasti výzkumu a vývoje i do projekční praxe a do požární legislativy [1]. Při hodnocení a posuzování požadavků na stavby a jejich části je možné postupovat konzervativním, normovým postupem nebo v kombinaci s požárně inženýrským přístupem s využitím matematického modelování, uplatňovaným zejména tam, kde jsou aplikace zjednodušených normových postupů obtížně proveditelné (požárně bezpečnostní řešení pro velká obchodní centra, shromažďovací prostory, tunely apod.).

První teoretické návrhy požárních modelů vznikaly již téměř před půl stoletím a byly zaměřeny především na odhad průběhu požáru (simulaci) uvnitř objektu. Prvotně šlo především o formulaci zjednodušených výpočetních prostupů a základů tzv. zónových modelů, které se postupně s rozvojem výpočetní techniky stále rozvíjely, a o modely typu pole (metody CFD – „Computational Fluid Dynamics“). Současně se s matematickými modely prováděly a samozřejmě provádějí různé fyzikální (experimentální) modely, ať již ve zmenšeném nebo i reálném měřítku, které slouží jednak pro hlubší poznání chování vlastního požáru a jednak pro ověření (verifikaci) výsledků vyvíjených matematických modelů.

Matematické modely pro simulace požárů většinou v uzavřeném prostoru lze rozdělit do dvou základních skupin:

● deterministické matematické modely – průběh požáru je určen fyzikálními a chemickými ději,

● pravděpodobnostní matematické modely – průběh požáru je popsán řadou náhodných událostí a stavů.

 

Deterministické modely (odvozeno od anglického slova „determine“ – určit) narozdíl od modelů pravděpodobnostních nesledují onu míru pravděpodobnosti, s jakou k požáru může dojít, ale řeší již konkrétní fyzikální podmínky určující průběh a výsledky požáru, tzv. požární scénáře [3]. Tento typ modelů bude následně více popsán.

Rozsah deterministických modelů může být široký, od velmi jednoduchých, majících závislost pouze na několika fyzikálních veličinách, až po modely značně složité, popisující požár v jedné nebo i několika místnostech. V technické praxi se nejvíce používají dvě skupiny deterministických modelů, a to zónové modely a modely typu pole (CFD). Tyto modely jsou označovány též jako dynamické modely, jelikož sledují v modelovaném prostoru měnící se parametry a podmínky v čase. Naopak nejjednodušší statické modely sledují konstantní požárně ustálený stav, který se v čase již nemění. Tyto „ruční“ empirické výpočty slouží spíše jako předběžné výpočty nebo kontrolní mechanismus dynamických modelů, využívajících dnes již výhradně výpočetní techniky.

Šachtový model

Pomocí jednoduchého statického modelu [4] lze u šachet větších průřezových ploch u normálního komínového efektu (T_v < T_š, obr. 2) při zanedbání třecích sil empiricky spočítat tlakový rozdíl D_p mezi prostorem šachty a vnějším vzduchem podle vzorce:

 

 

(1),

 

 

kde je:

T_v …absolutní teplota vnějšího (venkovního) vzduchu [K],

T_š …absolutní teplota vzduchu v šachtě [K],

p_atm …absolutní atmosférický tlak [Pa] … normální tlak 1013,25 hPa,

R …plynová konstanta vzduchu [287,10 J.kg^–1.K^–1],

g …gravitační zrychlení [m.s^–2],

z…výška nad neutrální rovinou [m], tj. pořadnice v lineárním průběhu tlaku.

 

Polohu neutrální osy, tj. horizontální roviny (z = 0), kde tlak uvnitř šachty je roven tlaku vnějšímu, lze zjednodušeně určit ze vztahu pro poměrnou výšku:

 

(2),

 

kde je:

H_n …výška od dna šachty k neutrální rovině,

H …celková výška šachty.

Předchozí dvě rovnice byly vyvinuty pro šachty spojené s vnějším prostředím s konstantní vnější i vnitřní teplotou a pro svislý šachetní otvor po celé výšce podlaží. Avšak i tento model byl pro technické účely zpřesňován a byl vyvinut např. matematický dvouzónový model [6], který definuje jako první zónu část šachty propojenou s podlažím, ve kterém probíhá požár, a jako druhou zónu zbylou část šachty. Tento typ modelu je pak v lepší shodě např. v porovnání s CFD modelem. Umožňuje mimo jiné i různou velikost šachtových (revizních) otvorů.

 

Zónové modely

Zónové (dynamické) požární modely se dělí na jedno- a dvouzónové. Jednozónový model uvažuje celý hořící prostor jako homogenní, kdežto dvouzónový model rozděluje řešený prostor (místnost) po výšce na dvě homogenní zóny (vrstvy), kde každá vrstva má stejnoměrnou hustotu, teplotu a koncentraci plynů. Dolní, studená vrstva se ochlazuje přívodem vzduchu z vnějšku (např. okny) a horní vrstva se ohřívá vzestupným prouděním zplodin požáru (obr. 3). Modely pracují s parciálními diferenciálními rovnicemi pro zachování hmoty a energie mezi jednotlivými vrstvami a obvykle řeší základní otázky teploty horké vrstvy pod stropem, rychlosti uvolňování tepla, optické hustoty kouře, polohy neutrální roviny, výměny plynů s okolím skrze otvory apod. Zónové modely umožňují v určité fázi požáru samočinný přechod z dvouzónového modelu na model jednozónový, což představuje okamžik prostorového vzplanutí v hořícím prostoru (flashover efekt). Předností těchto modelů je jednoduchost řešení, neboť výpočet probíhá mezi dvěma kontrolními objemy (zónami), což snižuje nároky na hardwarové vybavení. Nejrozšířenějšími zónovými modely jsou v současné době ARGOS, BRANZFIRE, CFAST, O’ZONE apod.

Požárně inženýrský přístup zónových modelů je většinou vhodný pro požární simulace v místnostech, ale nehodí se u prostorů s jedním převládajícím rozměrem (šachty a tunely). V místech, kde dochází ke kontaktu stěny se stoupajícím proudem vzduchu (kouře), není vzduch unášen tak, jak je uvažováno v zónových modelech.

 

 

Modely typu pole (CFD)

Modely typu pole využívají pro modelování požáru rovněž základní rovnice zachování a přenosu energie, hmoty a hybnosti. Simulovaný prostor je rozdělen do velkého počtu kontrolních objemů a v této síti umožňuje model simulovat i chování definovaných hořlavých látek za požáru, rychlost šíření požáru, uvolňování tepla, vývin kouře, rozložení teplotních polí, rychlost proudění apod. (obr. 4). Model umožní i simulaci turbulencí, které zejména u šachet a tunelů mají zásadní význam.

Nejrozšířenější numerickou metodou využívající modelů typu pole jsou algoritmy dynamického proudění tekutin CFD (Computational Fluid Dynamics). Simulace umožní s výhodou modelování požáru v uzavřených prostorech, ale použitelná je i pro vnější prostředí (např. požáry fasád), a to včetně vlivu větru, gradientu tlaku apod. Pokrývají celou řadu simulací, kde zónové modely svou aplikací nemohou postačit, kladou vysoký požadavek na hardware, a výpočet tak může být velice zdlouhavý (hodiny, dny). Zadávání vstupních dat bývá značně náročné a o přesnosti výpočtu a náročnosti výpočtu rozhoduje výrazně i jemnost (hrubost) sítě. Čím jemnější síť, tím přesnější, ale také náročnější výpočty jsou.

 

Závěr

Technická praxe přináší přijatelná systémová řešení, kterými lze poměrně snadno zajistit instalační šachty z hlediska vertikálního šíření požáru. Problém však nastává u starších objektů nebo u chybně řešených šachet, kdy může být v krátkém časovém horizontu atakováno i několik prostorů navazujících na šachtu. Šachty často procházejí soukromými prostory (byty, komerčními prostory apod.) a jejich dodatečná požární sanace může být natolik problematická a zájem natolik malý, že k požární nápravě nedojde. Stávající objekty (zejména však panelová výstavba) jsou velice problematické z pohledu jisté retrospektivy, kdy lze jen těžko původní konstrukční provedení srovnávat s dnešními požárními požadavky. Výměny vnitřních instalací dnes běžně nepodléhají z hlediska „stavebního“ zákona ani ohlášení, avšak je nutné si uvědomit, že by v žádném případě nemělo docházet ke zhoršení stavu z hlediska požární bezpečnosti, což často splněno nebývá.

Tento článek měl zdůraznit nutnost správného řešení šachet z požárního hlediska, upozornit na jejich slabá místa a poukázat na možné nástroje, jak šachty a jim podobné prostory požárně modelovat.

MAREK POKORNÝ

obr. a foto archiv autora

 

Literatura:

1) ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty. ÚNMZ, 2009.

2) ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení. ÚNMZ, 2009.

3) Kučera, P. – Kaiser, R.: Úvod do požárního inženýrství. Edice SPBI 52. Ostrava 2007.

4) Klote, J. – Forney, G.: Zone Fire Modelling With Natural Building Flows and a Zero Order Shaft Model. USA, Gaithersburg 1993. NISTIR 5251.

5) NIST. Internetové stránky [online]. Dostupné z: http://fire.nist.gov/fds/.

6) Zhang, J. Y. – Lu, W. Z. – Huo, R. – Feng, R.: A New Model for Determining Neutral-plane Position in Shaft Space of a Building under Fire Situation. Building and environment.