Podpatrywanie pożaru

Obecnie pożary większości mieszkań rozwijają się dużo szybciej i są bardziej toksyczne niż kilka lat temu. Potwierdzają to wyniki uzyskane w badaniach nad przebiegiem pożaru w mieszkaniu doszczelnionym oraz rozszczelnionym.

W czasach rosnącego zapotrzebowania na energię inwestycje w poprawę efektywności energetycznej są czymś oczywistym, zwłaszcza w sektorze budownictwa mieszkaniowego. Przez dwie ostatnie dekady trwał w Polsce masowy proces termomodernizacji budynków, obejmujący m.in. wymianę starych drewnianych okien na nowe - szczelniejsze, zwykle wykonane z PCV. W starych budynkach zbytnia szczelność okien była niewskazana, bowiem utrudniała infiltrację powietrza pozwalającą na prawidłowe działanie wentylacji grawitacyjnej.

Dziś nikogo nie dziwią systemy wentylacji hybrydowej czy mechanicznej z odzyskiem ciepła, stosowane nie tylko w budynkach mieszkalnych. Wszystkie zmiany w technologii budowlanej, zwłaszcza te związane z wprowadzeniem nowoczesnych konstrukcji budynków i nowych materiałów wykończeniowych, skłaniają strażaków do ponownego zastanowienia się nad charakterem pożarów oraz nad zagrożeniami, z jakimi mogą się spotkać podczas ich gaszenia [1]. Dla strażaków problematyka nieprawidłowej wentylacji w mieszkaniach jest szczególnie widoczna w kontekście zdarzeń związanych z zaczadzeniem, a także z pożarami wewnętrznymi budynków.

Wagę problemu podkreśla rosnący wskaźnik liczby ofiar takich pożarów, zwłaszcza w tej części Europy, w którejleży nasz kraj.

Według danych KG PSP w 2010 r. w 28 274 pożarach obiektów mieszkalnych zginęło 525 osób, a rannych zostało 263 strażaków. W 2012 r. mieliśmy 29 145 pożarów obiektów mieszkalnych, w których zginęło 565 osób, a 245 strażaków zostało rannych [11]

Istotny wpływ na taką sytuację ma zły stan techniczny wielu starych kamienic (szczególnie widać to w województwie śląskim). Znaczna część z nich to pustostany o nieuregulowanej formie własności, zamieszkałe przez bezdomnych. Wiele do życzenia pozostawiają także tzw. bloki z wielkiej płyty. Za zły stan części budynków w tym regionie odpowiadają szkody górnicze. Dotyczy to także stosunkowo nowego budownictwa. Za przykład może posłużyć budynek mieszkalny w zabudowie segmentowej stojący przy ul. Pocztowej 5-15 w dzielnicy Karb w Bytomiu, dzisiaj już nieistniejący. Decyzją powiatowego inspektora nadzoru budowlanego z powodu szkód górniczych został on wyłączony z użytkowania i przeznaczony do wyburzenia. Powstał pomysł, aby wykorzystać tę sytuację do zaaranżowania w nim eksperymentu - zbadania rozwoju pożaru w warunkach rzeczywistych.

W przeddzień rozpoczęcia prac wyburzeniowych w jednym z segmentów budynku przeprowadzone zostały dwa testy pożarowe. Miejsce badań zostało odpowiednio zabezpieczone przez strażaków z Komendy Miejskiej Państwowej Straży Pożarnej w Bytomiu oraz służby medyczne i porządkowe.

Cel badań

Głównym celem badań było sprawdzenie przebiegu pożaru w mieszkaniu doszczelnionym oraz rozszczelnionym. Odbyły się one 20 września ubiegłego roku. Za ich organizację odpowiadała Komenda Miejska PSP w Bytomiu oraz Samodzielny Zakład Ogrzewnictwa, Wentylacji i Klimatyzacji na Wydziale Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechniki Częstochowskiej. Do współudziału w badaniach zaproszonych zostało 17 partnerów, reprezentujących m.in. administrację publiczną, służby ratownictwa - również górniczego, środowiska naukowo-badawcze zajmujące się inżynierią bezpieczeństwa pożarowego ibudownictwem, a także firmy specjalizujące się w ochronie przeciwpożarowej i termomodernizacji.

Partnerzy uzgodnili, że eksperyment ten będzie obejmował:

• zbadanie przebiegu pożaru w pomieszczeniu doszczelnionym w odniesieniu do pomieszczenia rozszczelnionego, z wnikliwą analizą temperatury, toksyczności środowiska pożaru, widzialności oraz ciśnienia [2],
• określenie wpływu użytego inicjatora pożaru oraz właściwości termofizycznych spalanego paliwa na rozwój pożaru, w tym szybkość wydzielania ciepła,
• określenie wpływu temperatury oraz stężenia toksycznych produktów spalania na warunki ewakuacji osób z pomieszczenia i bezpieczeństwo ekip ratowniczych [3],
• diagnostykę uszkodzeń materiałów, z których zbudowane są elementy konstrukcyjne (stali zbrojeniowej i betonu) w wyniku oddziaływania pożaru,
• wyznaczenie odporności ogniowej elementów konstrukcji budynku,
• badanie zgodności testów pożarowych w pełnej skali z wynikami komputerowych symulacji pożarów przeprowadzonych za pomocą metod obliczeniowych numerycznej mechaniki płynów, w tym: FDS/PyroSim, FLUENT, CFAST [4]. 

Z uwagi na konieczność wyznaczenia szybkości uwalniania ciepła, całkowitego uwalniania ciepła oraz szybkości wytwarzania dymu już na etapie określania głównych celów badawczych zaplanowano drugi etap badań: wykonanie testu pożarowego w skali rzeczywistej - tzw. Corner Room Test, metodą ISO 9705. Podczas tego testu spaleniu poddane miałyby być te same materiały, które stanowiły wyposażenie obu mieszkań w trakcie testów pożarowych w Bytomiu.

Pięciokondygnacyjny budynek mieszkalny, w którym znajdowały się poddane testom mieszkania był wybudowany w 1976 r. w technologii płyty żelbetowej prefabrykowanej oraz gazobetonu. Pomieszczenia mieszkalne przewidziane do testów stanowiły:

• lokal na IV piętrze o powierzchni 36,56 m²: miejsce pożaru - pokój wypoczynkowy o pow. 15,41m² i kubaturze 91,4m³; pierwszy test pożarowy przeprowadzony został w godz. 12.15 - 12.45;
• lokal na II piętrze o powierzchni 37,59m²: miejsce pożaru - pokój wypoczynkowy o pow. 15,41m² i kubaturze 93,9m³; drugi test pożarowy wykonywano w godz. 15.15 - 15.45.

Rys. 2. Budynek mieszkalny, w którym przeprowadzone zostały testy pożarowe, przed usunięciem płyt elewacyjnych zawierających azbest, lipiec 2012 r. [Zdjęcie D. Saleta]

Założenia do badań

Mając na uwadze doświadczenia innych krajów [5, 6] w takich badaniach, organizatorzy zwrócili uwagę na aspekt bezpieczeństwa bytomskiego eksperymentu. Dlatego przyjęto, że każdy test zostanie przeprowadzony na różnych poziomach, oddzielonych przynajmniej jedną kondygnacją. Założono przeprowadzenie dwóch testów pożarowych, trwających po 30 min, w dwóch lokalach o takim samym układzie przestrzennym:

• pierwszy pożar w mieszkaniu doszczelnionym (pożar kontrolowany przez wentylację), zlokalizowanym na piątej kondygnacji,
• drugi pożar w mieszkaniu rozszczelnionym (pożar kontrolowany przez paliwo), zlokalizowanym na trzeciej kondygnacji.

Na potrzeby pierwszego testu pożarowego w pokoju objętym pożarem zostało zamontowane nowe okno PCV. Pozostałe okna uszczelniono pianką montażową, a przepusty instalacyjne i inne otwory - ogniochronną pęczniejącą masą uszczelniającą oraz taśmami uszczelniającymi.

Wdrugim mieszkaniu w pokoju objętym pożarem uchylone zostało jedno skrzydło okna - na pierwszy stopień z czterech możliwych pozycji [4].

Rys. 3. Budynek, w którym przeprowadzono testy pożarowe po zdjęciu elewacji, z widokiem służb zabezpieczających eksperyment [Zdjęcie T. Król]

Stanowisko pomiarowe do bieżącej rejestracji pomiarów zlokalizowane zostało w pomieszczeniach znajdujących się bezpośrednio pod pokojami, w których badano przebieg pożaru, tj. na I piętrze dla pożaru w mieszkaniu rozszczelnionym oraz na III piętrze dla pożaru w mieszkaniu doszczelnionym.

Rys. 4. Rzut poziomy piątej kondygnacji budynku - w czerwonym obrysie lokal, w którym prowadzono eksperyment (mieszkanie doszczelnione)

Rys. 5. Rozmieszczenie metalowych sond do pomiaru gazów pożarowych oraz kamer w mieszkaniu doszczelnionym

W każdym teście pożarowym zastosowany został system sygnalizacji pożaru składający się z dwóch optycznych czujek dymu (w przedpokoju oraz na klatce schodowej przed wejściem do mieszkania) z adresowalną linią dozorową oraz centralą sygnalizacji pożarowej.

Do rejestracji filmowej i robienia zdjęć wykorzystano kamerę przemysłową, dwie kamery termowizyjne, dwie cyfrowe kamery filmowe HD, cztery kamery internetowe (po dwie w każdym mieszkaniu) i cztery aparaty fotograficzne.

Metodyka badań

Jako inicjator zapłonu posłużył wykonany według brytyjskiej normy BS 5852 stosik z drewna świerkowego z gazikiem nasączonym 96 proc. alkoholem etylowym oraz palnik do lutowania z jednorazowym pojemnikiem z mieszaniną gazów propan-butan (35% propan, 65% butan).

Podczas obu testów przeprowadzono następujące pomiary:

• Stężenie gazów pożarowych badane było za pomocą jedno- i wielokanałowych analizatorów gazów, chromatografów gazowych oraz aparatury pomocniczej. W obu pomieszczeniach objętych pożarem trwał ciągły pomiar stężenia CO, CO₂, SO₂, HCH, NO₂, NO, H₂S, HCL, O₂, CH₄, H₂, N₂, C₂H₂, C₂H₄, C₃H₆, C₂H₆, C₃H₈, i-C₄H₁₀ i n-C₄H₁₀. Dodatkowo w przestrzeni przedpokoju w mieszkaniu doszczelnionym prowadzony był pomiar stężenia O₂ oraz CO. W każdym z badanych mieszkań umieszczono cztery sondy próbobiorcze:
• przy podłodze na wysokości 90 cm - sonda nr 2,
• na wysokości 160 cm - sonda nr 1 i 3,
• pod stropem (sufitem) na wysokości 230 cm - sonda nr 4.

Rys. 6 Aparatura do pomiaru stężeń gazów pożarowych [Zdjęcie K. Giel].

Rys. 7 Lokalizacja kamery termowizyjnej i kamery przemysłowej. [Zdjęcie J. Paliszek-Saładyga]

• Oddziaływanie temperatury w obu pomieszczeniach objętych pożarem rejestrowane było przez dziewięć termopar typu K - siedem termopar wewnątrz pomieszczenia i dwie na zewnątrz budynku:
• termopary t1 i t2 zamocowane zostały na wysokości 200 cm,
• termoparę t3 zlokalizowano na wysokości 150 cm,
• termopara t4 i drzewo termopar t5 z trzema punktami pomiarowymi mierzyły parametry otoczenia zewnętrznego,
• drzewa termopar t6, t7, t8, t9 z ośmioma punktami pomiarowymi umieszczono na wysokości 100 cm, 130 cm, 160 cm, 180 cm, 200 cm, 220 cm, 230 cm, 240 cm od podłogi,
• w każdym z pomieszczeń objętych pożarem temperatura rejestrowana była dodatkowo za pomocą dwóch kamer termowizyjnych oraz przez liniowy sensoryczny system pomiaru temperatury umieszczony na suficie.

Rys. 8 Ustawienie sprzętu pomiarowego oraz przedmiotów przed testem w mieszkaniu doszczelnionym [Zdjęcie T. Król]

Rys. 9 Pomieszczenie (pokój) przed testem w mieszkaniu rozszczelnionym [Zdjęcie J. Paliszek-Saładyga]

Czas trwania pożaru liczony był od momentu zapłonu oraz chwili, w której płomień osiągnął wysokość 100 cm.

Rys. 10. Zdjęcie obrazujące miejsce i moment zapłonu podczas testu w mieszkaniu rozszczelnionym [Zdjęcie S. Pietryszek].

4. Wysokość rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni materiału badana była według dwóch podziałek liniowych na ścianie: jedna biegła przy tapczanie od wysokości 50 cm do 230 cm z podziałem co 20 cm, druga przy fotelu (wykonana w taki sam sposób).

5. Wpływ czynników materiałowych oraz otoczenia na szybkość rozprzestrzeniania się płomienia po materiałach stałych.W tym celu analizie poddano strukturę i skład chemiczny materiałów.

Tapczan oraz fotele zostały wykonane w trzech egzemplarzach na indywidualne zamówienie (ta sam grubość materiałów i ich gęstość w każdym z testów). Sprawdzono obecność środków ogniochronnych oraz uwzględniono tę samą geometrię rozmieszczenia materiałów. Ponadto sprawdzono kierunek propagacji płomienia przez ciągłą rejestrację dwoma kamerami internetowymi, dwoma kamerami termowizyjnymi, jedną kamerą przemysłową oraz jedną kamerę cyfrową HD. Zwrócono uwagę na takie czynniki otoczenia, jak: skład atmosfery utleniającej, temperatura na zewnętrz, ciśnienie oraz prędkość ruchów powietrza poprzez ich pomiar przed każdym z testów pożarowych.

6. Warunki meteorologiczne rejestrowała przenośna stacja meteorologiczna, umieszczona na dachu budynku. Rejestrowane były:

• temperatura powietrza,
• wilgotność powietrza,
• ciśnienie otoczenia,
• nadciśnienie w pomieszczeniu objętym pożarem w stosunku do ciśnienia atmosferycznego,
• różnica ciśnień między strefą pożaru a klatką schodową,
• prędkość powietrza w mieszkaniu: sprawdzono wyciąg powietrza przy kratce wentylacyjnej w kuchni.

Pomiary szczelności obu pomieszczeń wykonano w przeddzień badań metodą BlowerDoor Test, Test Standard Modell 4 EN 13829.

Rys. 11 Miejsce pożaru w mieszkaniu rozszczelnionym - po wykonaniu drugiego testu pożarowego [Zdjęcie T. Król]

Rys. 12 Miejsce pożaru w mieszkaniu doszczelnionym - po wykonaniu pierwszego testu pożarowego [Zdjęcie T. Król]

Podsumowanie

1. Podczas pierwszego testu w mieszkaniu doszczelnionym doszło do samoczynnego wygaśnięcia pożaru w krótkim czasie. W przestrzeni objętej pożarem nastąpił wyraźny wzrost ciśnienia, a wkrótce potem duże zadymienie, zasygnalizowane przez jedną z czujek dymu. W odniesieniu do drugiego testu odnotowano dużo wyższe stężenia tlenku węgla, dwutlenku węgla, cyjanowodoru, siarkowodoru, tlenków azotu, wodoru, węglowodorów alifatycznych i niższe stężenia tlenu i temperatury.
2. W drugim teście pożarowym w mieszkaniu rozszczelnionym zaobserwowano dużo wyższe wartości temperatury przez cały czas trwania badania. Stężenia gazów były niższe, nie odnotowano przyrostu ciśnienia. System sygnalizacji pożaru zadziałał po dłuższym czasie niż w pierwszym teście.
3. Zastosowanie symulacji komputerowych pozwala na zbliżone do rzeczywistości przedstawienie warunków panujących w środowisku pożaru. Przykładem tego są wyniki dotyczące temperatury oraz stężenia tlenu uzyskane w symulacji za pomocą specjalistycznego oprogramowania opartego na metodach obliczeniowych numerycznej mechaniki płynów. Niemniej jednak warunkiem potwierdzającym poprawność założeń przyjętych do symulacji oraz jej wyników jest ich walidacja w warunkach rzeczywistych. Jako przykład służą różne wyniki ciśnienia uzyskane w badaniach w pełnej skali i w wykonanej symulacji komputerowej.

Prowadzenie tego rodzaju badań daje różnorodne korzyści. Przykładem może być chociażby:

• możliwość określenia charakteru zagrożeń pożarowych w nowych budynkach mieszkalnych, a także w budownictwie starszego typu - wynikających na przykład z niewłaściwie przeprowadzonego procesu termomodernizacji,
• edukacja strażaków w zakresie rozwoju pożarów wewnętrznych, z uwzględnieniem zmian w charakterze ich przebiegu spowodowanych stosowaniem nowych technologii budowlanych, co w szerszym zakresie posłużyć może edukacji społeczeństwa w dziedzinie bezpieczeństwa pożarowego budynków mieszkalnych,
• wyniki badań są doskonałym odniesieniem dla projektantów, konstruktorów budynków, a także dla inżynierów specjalizujących się w bezpieczeństwie pożarowym i rzeczoznawców oraz wielu innych środowisk związanych z pożarnictwem, próbujących za pomocą różnych metod przewidzieć i modelować rzeczywiste zjawiska fizyczne - posłużą np. do oceny ryzyka pożarowego w budynkach mieszkalnych oraz prognozowania zagrożeń typu backdraft i flashover.

Obecnie pożary mieszkań rozwijają się dużo szybciej, rozprzestrzeniają z większą intensywnością (co powodują nowoczesne materiały wykończeniowe i nowoczesne konstrukcje - duże, otwarte przestrzenie), a produkty spalania są zdecydowanie bardziej toksyczne, gdyż materiały wykończeniowe są w dużej mierze sztuczne. Nowoczesne materiały budowlane oraz stanowiące wyposażenie mieszkań zawierają dużo mniej wilgoci niż te stosowane dawniej, co powoduje, że faza rozwoju pożaru jest zdecydowania krótsza. Potwierdzają to wyniki uzyskane w bytomskich badaniach. Wzrost szczelności mieszkań również przekłada się na zmianę charakteru pożarów wewnętrznych - mamy wtedy do czynienia z pożarem kontrolowanym przez wentylację, co skutkuje np. możliwością szybszego zapalenia się gazów pożarowych czy nagłego wzrostu ciśnienia. 

Zmiana charakteru przebiegu pożarów wewnętrznych powinna też znaleźć odzwierciedlenie w szkoleniu strażaków. Ciągle zbyt małą uwagę przywiązuje się do weryfikacji praktycznych umiejętności ratowników. W jednostkach ratowniczo-gaśniczych mamy coraz młodszą kadrę, która nie ma okazji uczyć się od starszych i doświadczonych kolegów.

St. kpt. Damian Saleta
służy w JRG KM PSP w Bytomiu. Pisze doktorat na Wydziale Inżynierii Środowiska i Biotechnologii Politechniki Częstochowskiej na temat „Badanie propagacji dymu i płomieni w budynku mieszkalnym o podwyższonym stopniu szczelności.”  W jego ramach został przeprowadzony eksperyment.

Przypisy, literatura

[1]   Sekret R., Saleta D., Bezpieczeństwo pożarowe budynków mieszkalnych poddanych termomodernizacji, [w:] Gil A., Nowacka U., Chmiel M. (red.), Inżynieria bezpieczeństwa a zagrożenia cywilizacyjne, wyd. CS PSP Częstochowa, s.9-46.
[2]   Saleta D., Tekielak-Skałka I., Analiza rozwoju pożaru mieszkalnego w skali rzeczywistej, Międzynarodowe Seminarium Naukowe „Ochrona przeciwpożarowa - Zakopane, wiosna 2013”, 18-21 marca 2013 r.
[3]   Sekret R., Saleta D., Wpływ procesu termomodernizacji budynków mieszkalnych na toksyczność pożaru na przykładzie zabudowy miejskiej na Górnym Śląsku, VII Międzynarodowa Konferencja „Bezpieczeństwo pożarowe obiektów budowlanych”, wyd. ITB, 6 8 listopada 2012 r., Warszawa, s. 75-85.
[4]   Sekret R., Saleta D., Sztarbała G., Smardz P., Comparison of CFD Modelling with Fire Tests, Aplication of Structural Fire Engineering, 19-20 April 2013, Prague, Czech Republic.
[5]   Rein G.,Jahn W., Torero J.L.,Modelling of growth phase of Dalmarnock fire test one, 12th International Fire and Materials Conference, San Francisco, Feb 2011.
[6]   http://www.see.ed.ac.uk/fire/dalmarnock.html, 2012-08-10.
[7]   The Geneva Association, World Fire Statistics N° 28, October 2012, p.18.
[8]   http://www.dziennikzachodni.pl/artykul/661243,bytom-plonelo-mieszkanie-w-karbiu-to-strazacki-eksperyment,19,id,t,sg.html#drukuj_dol, 2013-05-14.
[9]   http://www.genevaassociation.org/PDF/WFSC/GA2012-FIRE28.pdf, 2013-02-26