CC BY
319
ВЕСТНИК 10/2012
УДК 614.84
Динь Конг Хынг, А.Я. Корольченко
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ЭВАКУАЦИЯ ЛЮДЕЙ ИЗ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ПОЖАРАХ
При пожаре в жилых зданиях гибель людей в результате обрушения конструкций маловероятна, так как условия, опасные для жизни людей при пожаре, появляются значительно раньше, чем наступает предел огнестойкости строительных конструкций. Контакт человека с открытым пламенем даже в течение малого промежутка времени приводит к гибели человека.
Ключевые слова: высотные здания, пожар, эвакуация людей, токсичные продукты горения.
В условиях пожара в высотных зданиях основными факторами, приводящими к полной потере сознания людей и их гибели, являются следующие [1]: открытый огонь и искры; повышенная температура окружающей среды; токсичные продукты горения; пониженная концентрация кислорода;
комбинированное воздействие различных факторов пожара на человека. В первой части статьи кратко рассмотрим на основе известных данных воздействие ведущих опасных факторов пожара.
Открытый огонь и искры. При пожарах в высотных зданиях гибель людей в результате обрушения конструкций не зафиксирована. Условия, опасные для жизни людей, проявляются значительно раньше, чем наступает предел огнестойкости строительных конструкций. В подобных условиях контакт человека с открытым пламенем пожара даже при кратковременном воздействии пламени приводит к гибели. В этих условиях необходимо проанализировать остальные опасные факторы пожара, которые могут возникать при пожарах в высотных зданиях.
Повышенная температура окружающей среды. Из литературных данных известно, что температура в зданиях при пожарах достигает 1100 °С, что превышает максимально допустимый уровень для выживания в течение не более одной мин. Поражение верхних дыхательных путей вызывает вместе с прекращением доступа воздуха удушье и смерть [2]. Даже воздействие температуры свыше 100 °С приводит к потере сознания у человека и гибели через несколько минут. Установлено, что время в несколько минут является допустимым пределом для человека (табл. 1).
Табл. 1. Время воздействия, вызывающее степени ожога в сухой атмосфере
Время воздействия, с Температура, °С
Менее 1 1093
3 371.482
7 176
15 100
26 71.82
По данным [3], при плотности теплового потока излучения 4,18 КВт/м2 ощущение боли возникает через 10...20 с, а при 7,28 КВт/м2 через 10...12 с на коже образуются пузыри. Большая разница в приведенных данных является следствием того, что переносимость человеком высокой температуры окружающей среды определяется в значительной мере ее влажностью.
Токсичные продукты горения. Проведенными исследованиями установлено, что в продуктах горения, выделяющихся на пожарах, содержится до 100 видов химических соединений, которые могут оказывать токсическое действие на человека. Продукты сгорания, выделяемые при пожарах, можно разделить на три основные группы: газы, растворимые в воде; твердые частицы; нерастворимые газы [4].
В табл. 2 приведены результаты обобщения литературных данных по воздействию окиси углерода на человека.
Табл. 2. Воздействие окиси углерода на человека в зависимости от концентрации и продолжительности действия
Концентрация СО, % Время действия, мин Эффект Содержание (СОНВ) в крови, %
0,005 480 Без эффекта 10
0,01 480 Летальный исход 60.70
0,02 120 Слабый 20
0,08 60...120 Летальный исход 60.70
0,10 60 Сильный 40
0,16 30 Летальный исход 60.70
0,3 Несколько Летальный исход 60.70
минут
0,5 20 Летальный исход 60.70
1 1 Летальный исход 80
В табл. 3 показан эффект воздействия СО2 на человека.
Табл. 3. Вероятный физиологический эффект при повышении концентрации С02
Концентрация СО2 во вдыхаемом воздухе, % Время воздействия, мин Эффект
0,5 480 Учащение дыхания
3,2 60.120 Летальный исход
4,0 30 Летальный исход
5,0 5 Летальный исход
8.10 Несколько минут Летальный исход
10.12 Несколько минут Летальный исход от паралича
дыхательного центра
В табл. 4 показан эффект воздействия на человека пониженных концентраций О2.
Табл. 4. Влияние пониженной концентрации О2 в воздухе на человека
Кислород, % Болезненные симптомы
17 Ухудшение двигательной функции, нарушение мускульной координации, затруднение мышления, притупление внимания
15 Затруднение дыхания, появление головокружения и головной боли, потеря мускульного контроля
12 Появление недостаточности дыхания, учащение пульса и частоты дыхания, быстрая утомляемость, потеря мускульной координации движений, приложение усилий для умственного сосредоточения, возможность необратимых процессов в мозге
10 Возникновение рвоты и наступление паралича движений, состояние опьяния, синюшность
6 Неясность сознания, повреждение центральной нервной системы, судороги, синюшность и потеря сознания
0 Потеря сознания, прекращение дыхания, через 6.8 мин остановка сердца
ВЕСТНИК
10/2012
Для решения этой задачи разделим конструктивными мерами (противопожарными перекрытиями) на несколько отсеков. Для здания в 28 этажей (рис. 1) выделим четыре отсека:
подземная часть — стоянка автомобилей; первая часть — надземная часть в виде торговых помещений; следующий противопожарный отсек — офисные помещения; четвертый отсек — жилые помещения.
Учитывая особенности развития пожаров в высотных зданиях, будем использовать противопожарные перекрытия в качестве барьеров на пути распространения пожара по высоте здания, ограничивая его распространение в пределах одного пожарного отсека. Для временных характеристик динамики развития пожара оценим величину пожарной нагрузки в выделенных отсеках. Эту нагрузку составляют:
в подземной части — хранящиеся автомобили и мотоциклы;
в торговой части — предметы торговли (частично в горючей упаковке);
в офисной части — мебель, бумага и бумажная продукция;
в жилых помещениях — бытовая мебель и оборудование.
Для характеристики динамики развития пожара рассчитаем величину пожарной нагрузки в отсеках высотного здания. Результаты расчета приведена в табл. 5.
Рис. 1. Разделение высотного здания по пожарные отсеки
Табл. 5. Пожарная нагрузка в отсеках высотного здания
Пожарный отсек Сумма пожарной нагрузки, МДж
Подземный гараж Q = 1642314,6
Торговая часть Q = 7089250
Офисная часть Q =5010352
Жилая часть Q = 2380322
На основании полученных данных (табл. 5) произведена оценка времени поступления опасных факторов пожара в отсеки высотного здания. Динамика развития пожара в отсеках рассчитывалась с целью прогнозирования температурного режима и динамики распространения дыма по методу FDS. Программный комплекс FDS (Fire Dynamics Simulator) создан NIST (Национальным институтом стандартов и технологии США) для полевого математического моделирования пожара [5, 6], с помощью которого возможна численная реализация с последующей визуализацией полей температур, концентраций паров горючих веществ, концентраций кислорода и продуктов горения в каждой точке пространства здания. FDS разработал в качестве инструмента для изучения фундаментальных процессов при пожаре и для решения прикладных задач пожаробезопасности. В нашем случае программа использована для предсказания времени наступления опасных факторов пожара для эвакуации людей.
Системой нестационарных уравнений в FDS являются выражения фундаментальных законов физики: сохранения массы, импульса и энергии [5, 7].
Уравнение сохранения массы газовой смеси имеет следующий вид:
1+1 ^ )+^у к)+! )=0, (1)
где р — плотность, кг/м3; т — время, с; х, у, г — координатные оси вдоль длины, ширины и высоты помещения соответственно, м; wx, Vу, VI — проекции скорости на соответствующие оси, м/с.
Уравнение сохранения количества движения в скалярном виде распадается на три уравнения движения вдоль координатных осей с учетом коэффициента турбулентной вязкости.
Уравнение сохранения энергии является математическим выражением закона сохранения и превращения энергии.
Уравнение оптической плотности дыма:
дБ дБ дБ дБ
—- + —^ + wy—^ + и>7—^ = дп, (2)
дт дт дт дт
где Боп — оптическая плотность дыма, Нп/м; дв — интенсивность внутренних источников оптической плотности дыма, образующегося при горении, Нп/(с-м).
Модель горения, применяемая нами в РБ8, учитывает одноступенчатую химическую реакцию. Рассчитываются два компонента смеси: массовая доля несгоревше-го топлива и массовая доля сгоревшего топлива.
Лучистый теплообмен в процессе развития пожара учитывается посредством переноса излучения для серого газа.
В модели пожара в программном комплексе РБ8 система уравнений аппроксимирована на линейной сетке. Горючие материалы строительные конструкции заданы теплофизическими характеристиками и информацией об их пожарной опасности. Использованы четыре типа тепловых граничных условий: твердая поверхность заданной температуры, твердая поверхность, подвергающаяся воздействию конвективного теплового потока, термически толстая и термически тонкая твердая поверхность.
Граничные условия, применяемые в расчетах для горючих материалов, учитываются для полимеров и целлюлозных материалов (теплопроводность, теплоемкость, плотность и толщина). Они получены из руководств, литературы или в результате экспериментальных измерений.
Выходными данными в комплексе РБ8 являются: температура, оптическая концентрация дыма. В качестве промежуточных результатов присутствуют концентрация газовой смеси, плотность газа, масса воды в единице объема.
Скорость тепловыделения является исходной величиной при прогнозировании развития пожара в здании. Фундаментальное уравнение, связывающее ее со скоростью выгорания, имеет вид
Q = упб , (3)
^пож т 1 ^ н у '
где п — коэффициент полноты сгорания; Qн — теплота сгорания, Дж/кг; у — скорость выгорания материала.
Скорость тепловыделения является исходной величиной при прогнозировании развития пожара, позволяющей оценивать скорость распространения пламени по поверхности материалов, изменение площади пожара, увеличения температуры в замкнутом объеме, допустимое время эвакуации, расход огнетушащих веществ.
Эти параметры рассчитаны для выделенных пожарных отсеков. В качестве примеры показаны температура для отсека офисных помещений.
Результаты моделирования температуры на этаже офисного отсека показана на рис. 3. В интервале времени до 1200 с. Из полученных данных следует, что опасная величина температуры достигается через 2,5.3 мин от момента возникновения пожара.
Рис. 2. Модель этажа и здания в расчете
Изменение температуры в помещении
1200 1000 800 600 400 200 0
Время t, c
Рис. 3. Температура при моделировании на этаже офисного отсека
Вывод. Выполненная оценка динамики пожара в высотном здании обосновывает необходимость создания систем противопожарной защиты высотных систем, обеспечивающих безопасную эвакуацию людей за период не более трех минут после возникновения пожара.
Библиографический список
1. Федеральный закон № 123 от 22 июля 2008 г. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности.
2. Для расчета потребного напора / А. Даниленко, Н. Артемьев, В. Теребнев, В. Чирко // Пожарное дело. 1985. № 9. С. 23.
3. Рекомендации по устройству систем оповещения и управления эвакуацией людей при пожарах в зданиях и сооружениях. М. : ВНИИПО, 1985. 19 с.
4. Чыонг Динь Хонг. Совершенствование управление тушением пожаров и спасанием людей в зданиях повышенной этажности городов Вьетнама : дисс. ... канд. техн. наук. 2008. С. 16—25.
5. Руководство пользователя « Программа FDS-версия 5» / М. Кэвин, Б. Клейн, С. Хостикка, Д. Флойд // Национальный институт стандартов и технологии США. 2007. 201 с.
6. Fire Dynamics Simulator (version 5) / М. Kevin, H. Baum, R. Rehm, W. Mell, R. McDermott // Technical Reference Guide-NIST Special Publication 1018-5. National Institute of Standards and Technology. 2009. 117 p.
7. Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. М. : ВИПТШ МВД СССР, 1987. 444 с.
Поступила в редакции в июле 2012 г.
Об авторах: Корольченко Александр Яковлевич — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), Московская область, Мытищинский район, r. Мытищи, Олимпийский проспект, д. 50, krl39@yandex.ru;
Динь Конг Хынг — аспирант кафедры пожарной безопасности, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Hung_police114@yahoo.com.
Для цитирования: Динь Конг Хынг, Корольченко А.Я. Эвакуация людей из высотных зданий при пожарах // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 206—212.
Dinh Cong Hung, A.Ya. Korol'chenko
FIRE EVACUATION FROM HIGH-RISE BUILDINGS
The authors argue that no collapse of structures is likely in the event of a fire emergency in multistoried buildings, rather, other fire-related factors may endanger the lives of people inside high-rise buildings exposed to the fire emergency, including open fire, sparks, high ambient temperature, smoke and toxic combustion products, reduced concentration of oxygen, and combined influence of various factors.
In case of fire, the temperature inside buildings reaches 1100 °С. It exceeds the temperature of the ambient air acceptable for humans by far (70 °С).
The experiments demonstrate that combustion products contain hundreds of toxic chemical compounds. The most hazardous of them include carbon oxide, carbon dioxide, chloride and cyanic hydrogen, aldehydes and acrolein. The author provides the pattern of their influence on the human body.
The smoke consists of unburned particles of carbon and aerosols. The size of particles fluctuates within 0.05-50 MMK. Smoke produces a physiological and psychological impact on human beings.
It has been proven that dangerous fire factors emerge within the first five to ten minutes of the emergency situation. Evacuation is the principal method of safety assurance. However, the velocity of propagation of smoke and heat is so high that even if the fire prevention system is in operation, people may be blocked both on the floors that are exposed to the fire and those that escape its propagation.
New evacuation and rescue methods are recommended by the author. Various ways and methods of use of life-saving facilities are also provided.
Safe evacuation is feasible from buildings where the number of stories does not exceed 10— 12. During evacuation, high density human streams are formed inside buildings, therefore, the period of stay in a burning building is increased. The calculations have proven that a two-minute delay of evacuation converts into a safe evacuation of only 13-15% of people. Low reliability of smoke detectors can make the evacuation of people from high-rise buildings impossible. Special design of smoke detectors is needed for high-rise buildings.
Key words: high-rise buildings, fire, evacuation of people, toxic combustion products.
References
1. Federal'nyy zakon № 123 ot 22 iyulya 2008 g. Tekhnicheskiy reglament o trebovaniyakh pozhar-noy bezopasnosti. [Federal Law no. 123 of July 22, 2008. Technical Regulations of Fire Safety].
2. Danilenko A., Artem'ev N., Terebnev V., Chirko V. Dlya rascheta potrebnogo napora [Analysis of Water Head]. Pozharnoe delo [Fire Sciences]. 1985, no. 9, 23 p.
3. Rekomendatsii po ustroystvu sistem opoveshcheniya i upravleniya evakuatsiey lyudey pri pozharakh v zdaniyakh i sooruzheniyakh [Recommendations concerning Arrangement of Notification Systems and Evacuation of People from Buildings and Structures in case of Fire]. Moscow, VNIIPO Publ., 1985, 19 p.
ВЕСТНИК 10/2012
4. Chyong Din' Khong. Sovershenstvovanie upravleniya tusheniem pozharovi spasaniem lyudey v zdaniyakh povyshennoy etazhnosti gorodov V'etnama [Improvement of Fire Extinguishing and Rescue of People from High-rise Buildings of Vietnamese Towns]. 2008, pp. 16—25.
5. Cavin M., Klein B., Hosticca S., Floyd D. Rukovodstvo pol'zovatelya «Programma FDS-versiya 5» [FDS Software. Version 5. User Manual]. National Institute of Standards and Technology, USA. 2007, 201 p.
6. Kevin M., Baum H., Rehm R., Mell W., McDermott R. Fire Dynamics Simulator (version 5). Technical Reference Guide-NIST Special Publication 1018-5. National Institute of Standards and Technology, 2009, 117 p.
7. Koshmarov Yu.A., Bashkirtsev M.P. Termodinamika i teploperedacha vpozharnom dele [Thermodynamics and Heat Transfer in Fire Sciences]. Moscow, VIPTSh MVD SSSR Publ., 1987, 444 p.
About the authors: Dinh Cong Hung — postgraduate student, Department of Fire Safety, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Hung_police114@yahoo.com;
Korol'chenko Aleksandr Yakovlevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 50 Olimpiyskiy prospect, Moscow Region, Mytishchi, 141006, Russian Federation; krl39@yandex.ru.
For citation: Dinh Cong Hung, Korol'chenko A.Ya. Evakuatsiya lyudey iz vysotnykh zdaniy pri pozharakh [Fire Evacuation from High-Rise Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 206—212.
