CC BY
69
Grzegorz Kubickia)*, Izabela Tekielak-Skatkab), Marcin Cisekc)
a) Warsaw University of Technology / Politechnika Warszawska
b) SMAY Sp. z o.o.
c) PROTECT s.j.
* Corresponding author / Autor korespondencyjny: grzegorz.kubicki@pw.edu.pl
How to Protect Staircases in Case of Fire in Mid-Rise Buildings. Real Scale Fire Tests
Jak zabezpieczyc klatki schodowe w budynkach sredniowysokich na wypadek pozaru. Wyniki badan rzeczywistych
ABSTRACT
Purpose: The aim of the analysis was to investigate how smoke would spread in the building in the case of fire, and how to protect staircases without a pressure differential system (PDS). It was assumed that a ventilation system should:
- prevent the staircase against complete smokiness. The part of the staircase located below the level covered by the fire should be smoke-free to the extent allowing the evacuation of people from the fire compartments;
- remove smoke from the staircase as fast as possible to prevent a significant increase in the level of pressure in the staircase.
Project and methods: Research was conducted in a full-scale 9-storey building. Three real fires were simulated. Typical apartment furnishings were used in the fires. A smoke ventilation system was installed in the staircase with variable make-up air supply. Tests were carried out for the following configurations of smoke ventilation systems:
- natural smoke exhaust with natural/gravitational make-up air;
- natural smoke exhaust with a mechanical (fixed volume of 14000 m3/h) make-up air inlet;
- natural smoke exhaust with a variable mechanical make-up air inlet.
The position of the door between the staircase and the apartment was used as an additional variable.
The measurements included temperature, light transmittance in the staircase, pressure difference between the staircase and the external environment, and the flow of the air and smoke through the smoke damper.
Results: The results of the research show that the system of gravitational smoke ventilation is susceptible to ambient conditions such as temperature. In some tests, it was observed that smoke could descend below the storey covered by the fire. The conducted research helped determine the best way to reduce the amount of smoke in the staircase. The use of mechanical air supply in the smoke ventilation system facilitated fast smoke removal from the staircase, and the proper air and smoke flow direction (from the test room to smoke exhaust devices).
The use of mechanical make-up air supply in the smoke ventilation system prevented the smoke from descending below the storey covered by the fire, so that the staircase on the floor covered by the fire could remain free from smoke in the lower part, providing a way of escape from the level covered by the fire. Conclusions: The conducted tests have revealed that the best solution to protect staircases without PDSs is to use a smoke ventilation system comprising a smoke vent mounted at the top and mechanically adjusted make-up air supply on the ground level. Keywords: smoke management, fire tests, fire ventilation of a staircase Type of article: original scientific article
Received: 28.08.2019; Reviewed: 02.10.2019; Accepted: 02.10.2019;
Authors' ORCID IDs: G. Kubicki - 0000-0001-9782-4468; I. Tekielak-Skatka - 0000-0001-7152-8601; M. Cisek - 0000-0003-3828-2691;
Percentage contribiuton: G. Kubicki - 35%; I. Tekielak-Skatka - 35%; M. Cisek - 30%;
Please cite as: SFT Vol. 54 Issue 2, 2019, pp. 6-20, https://doi.Org/10.12845/sft.54.2.2019.1;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
ABSTRAKT
Cel: Celem badart byla analiza rozprzestrzenia sie dymu pod kqtem oceny skutecznosci róznych systemów oddymiania klatki schodowej. Zalozono, ze dzialanie takiej instalacji powinno:
- zapobiegac zadymieniu czesci klatki schodowej, znajdujqcej sie ponizej kondygnacji, na której zlokalizowany jest pozar,
- po odcieciu naplywu dymu na klatke schodowq, oczyszczac te przestrzert z dymu w krótkim czasie - realizacja oddymiania klatki schodowej nie moze prowadzic do znacznego wzrostu nadcisnienia w klatce schodowej.
Projekt i metody: Badania przeprowadzone zostaly w 9-kondygnacyjnym budynku rzeczywistym. W ramach badart wykonano m.in. trzy prawdziwe pozary w pelnej skali. Kazdy z pozarów inicjowany byl w zaadaptowanym pomieszczeniu wyposazonym kazdorazowo w identyczny zestaw mebli i elementów wyposazenia. Na klatce schodowej zainstalowano system oddymiania ze zmiennym doplywem powietrza uzupelniajqcego. Testy przeprowadzono dla nastepujqcych konfiguracji systemów oddymiania:
- naturalny uklad oddymiania z naturalnym / grawitacyjnym powietrzem uzupelniajqcym;
- naturalny uklad oddymiania z mechanicznym (stala wartosc objetosci 14000 m3/h) wlotem powietrza uzupelniajqcego;
- naturalny uklad oddymiania ze zmiennym mechanicznym wlotem powietrza uzupelniajqcego.
Dodatkowq zmiennq bylo polozenie drzwi miedzy klatkq schodowq a mieszkaniem. Podczas testów rejestrowano: temperature (72 punkty pomiarowe), transmitancje swiatla (poziom zadymienia), róznice cisniert miedzy klatkq schodowq a otoczeniem zewnetrznym oraz przeplyw powietrza i dymu przez klape dymu. Dodatkowo stale monitorowane byly podstawowe parametry atmosferyczne (sila i kierunek wiatru, temperatura i wilgotnosc powietrza). Wyniki: Wyniki badart wykazaly wysokq wrazliwosc grawitacyjnego systemu oddymiania na warunki otoczenia (zaobserwowano, ze w niekorzystnych warunkach dym moze opasc ponizej kondygnacji objetej pozarem). Najskuteczniejszq i najbardziej odpornq na zaklócenia metodq oddymiania byl me-chaniczny doplyw powietrza. Pozwolil on na szybkie usuniecie dymu ze schodów oraz prawidlowe, stale i wlasciwe ukierunkowanie przeplywu. System ten nie dopuszczal do opadania dymu ponizej kondygnacji objetej pozarem, zas regulacja wydajnosci w zaleznosci od przeplywu na klapie zabezpieczala przestrzert klatki schodowej przed wzrostem nadcisnienia.
Wnioski: Najlepsz^ metody oddymiania klatki schodowej jest zastosowanie klapy dymowej oraz mechanicznie regulowanego doplywu powietrza uzupelniajqcego na poziomie wyjscia z budynku.
Stowa kluczowe: kontrola rozprzestrzeniania sie dymu, próby ogniowe, wentylacja pozarowa schodów Typ artykutu: oryginalny artykul naukowy
Przyjçty: 28.08.2019; Zrecenzowany: 02.10.2019; Zatwierdzony: 02.10.2019;
Identyfikatory ORCID autorow: G. Kubicki - 0000-0001-9782-4468; I. Tekielak-Skatka - 0000-0001-7152-8601; M. Cisek - 0000-0003-3828-2691;
Procentowy wktad merytoryczny: G. Kubicki - 35%; I. Tekielak-Skatka - 35%; M. Cisek - 30%;
Proszç cytowac: SFT Vol. 54 Issue 2, 2019, pp. 6-20, https://doi.org/10.12845/sft.54.2.2019.1;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
Introduction
A fire is a serious threat to human health and life. Both fire, posing an immediate threat, as well as smoke are dangerous. Fire is a local threat and its spread can be limited by using appropriate construction barriers. Smoke can spread much further as a result of buoyancy. To reduce its spread, fire ventilation systems can be used.
Pressure differential systems (PDSs) are the best solutions for fire ventilation. They can be designed in accordance with the adequate standards [1] or [2]. There are many factors that influence PDS performance, like the stack effect, wind and the expansion of fire gases. Information about these factors is provided in [3]. Many articles show research and computational fluid dynamics (CFD) analyses of various pressure differential systems [4-5]. Most of them concern research in high-rise buildings where this solution is required. However, PDSs are not always required by local regulations, and if they are not required, they are not used.
In many countries, PDSs are not required for low- and mid-rise buildings (with a height not exceeding 25-30 m). In such buildings, local regulations allow for other solutions to be used, such as smoke ventilation systems. These are used in many countries, including Poland, Germany and Great Britain, and can be designed based on relevant documents [6-7], [9]. Smoke ventilation systems are simple in terms of their construction and can be used in buildings without corridors or vestibules,
Wstçp
Pozar stwarza duze zagrozenie dla zdrowia i zycia cztowie-ka. Niebezpieczenstwo stanowic moze bezposrednio ogien, jak rowniez dym. Ogien jest zagrozeniem lokalnym, ktorego rozprze-strzenianie mozna ograniczyc odpowiednimi barierami konstruk-cyjnymi. Dym - z uwagi na lotnosc - rozprzestrzenia siç znacz-nie szybciej niz ogien. Mozna jednak temu zapobiec poprzez zastosowanie odpowiednich systemow wentylacji pozarowej.
Do najlepszych rozwiqzan wentylacji pozarowej zalicza-jq siç systemy roznicowania cisnienia, projektowane zgodnie z wtasciwymi normami [1] lub [2]. Na ich skutecznosc wpty-wa szereg istotnych czynnikow, takich jak ciqg kominowy, od-dziatywanie wiatru czy rozprzestrzenianie gazow pozarowych. Czynniki te opisano szerzej w publikacji pt. Principles of Smoke Management [3]. Wyniki badan nad systemami roznicowania cisnienia i analiz obliczeniowej dynamiki ptynow przedstawiono w licznych artykutach [4-5]. Wiçkszosc z nich dotyczy badan prowadzonych w wysokich budynkach, gdzie omawiane rozwiq-zanie jest nieodzowne. Lokalne przepisy prawne nie zawsze na-ktadajq jednak obowiqzek zastosowania systemu roznicowania cisnienia, w zwiqzku z czym tam, gdzie nie ma takiego wymogu, rozwiqzanie to nie jest wdrazane.
W wielu krajach systemy roznicowania cisnienia nie sq wyma-gane w odniesieniu do niskich i srednich budynkow (o maksymal-nej wysokosci 25-30 m). Dopuszcza siç dla nich zastosowanie innych rozwiqzan, w tym systemow oddymiania. Sq one wykorzy-
where entrances to apartments are located directly in the staircase. Such an architectural building layout is often used in Europe.
The basic element of this solution is one hole in the upper part of the staircase and another at the bottom. A staircase equipped with a smoke ventilation system may be partially filled with smoke during a fire. There are no requirements as to its functionality.
The smoke inside the staircase may not allow people staying in higher parts of the building to evacuate. Therefore, it is important to remove smoke from the staircase as fast as possible or to protect people on higher levels against smoke penetration into compartments. This action facilitates evacuation and rescue operations based on other strategies.
Natural smoke ventilation is the most common way of applying smoke ventilation in staircases. However, this solution is sensitive to exterior environmental factors. The most important factors which can influence the flow of smoke along vertical shafts include the buoyancy effect, the chimney effect and wind [3].
Although smoke ventilations systems are commonly used, they have not been well researched. Additionally, the majority of research results are based on small-scale or CFD research and the fire is frequently assumed to have occurred in the staircase [9], which should not happen in reality. Considering the above, full-scale research has been carried out to check the effectiveness of different smoke ventilation variants.
stywane w wielu krajach, w tym w Polsce, Niemczech i Wielkiej Brytanii. Mogq bye one projektowane na podstawie odpowied-nich dokumentow (zob. [6-7], [9]). System oddymiania jest prosty w budowie i znajduje zastosowanie w budynkach bez korytarzy i przedsionkow, tam gdzie wejscia do mieszkan sq zlokalizowane bezposrednio na klatkach schodowych. Tego rodzaju uktad archi-tektoniczny jest dose powszechny w Europie.
Podstawowym elementem instalacji oddymiania sq otwory w gornej i dolnej cz?sci klatki schodowej. Klatka schodowa wy-posazona w takq instalacji moze bye podczas pozaru cz?scio-wo wypetniona dymem. Dla systemu oddymiania nie okreslono w tym wzgl?dzie konkretnych wymogow funkcjonalnych.
Dym wewnqtrz klatki schodowej moze przeszkodzie w ewakuacji osob znajdujqcych si? w wyzszych partiach budynku. Wazne jest za-tem, aby proces oddymiania klatki schodowej przebiegat jak najszyb-ciej. Alternatywnie, mieszkania znajdujqce si? na wyzszych pi?trach, nalezy zabezpieczye przed wlotem dymu. Utatwi to ewakuacj? osob lub zapewnienie im bezpieczenstwa w ramach innych strategii.
W odniesieniu do oddymiania klatek schodowych najcz?stsze rozwiqzanie stanowi oddymianie grawitacyjne. Jest ono jednak po-datne na dziatanie zewn?trznych czynnikow srodowiskowych. Naj-istotniejsze z nich, mogqce rzutowae na przeptyw dymu w szybach wentylacyjnych, to: wypor powietrza (tzw. efekt kominowy) i oddzia-tywanie wiatru [3].
Chociaz systemy oddymiania stosuje si? powszechnie, nie przeprowadzono na ich temat doktadnych badan. Wi?kszose do-st?pnych wynikow uzyskano w badaniach realizowanych na matq skal? lub w badaniach dotyczqcych systemow roznicowania cisnie-nia. Najcz?sciej przyjmowano zatozenie, ze rozgorzenie pozaru na-st?powato na klatce schodowej [9], co w rzeczywistosci nie powin-no miee miejsca. W zwiqzku z tym przeprowadzono petne badanie majqce na celu zweryfikowanie skutecznosci instalacji oddymiania w roznych wariantach.
Theory
Teoria
Fire development depends on many factors. The fire appears on one of the floors in a multi-storey building and its development should be limited to that level. Because the size of the affected space is limited, the course of the fire depends on the availability of both combustible materials and oxygen. Providing both factors leads to the development of a fire whereas a shortage of either of them is likely to lead to the fire being extinguished.
The fire generates high-temperature smoke and changes pressure inside the fire space. The phenomena that take place during a fire are well described in [3], with related equations presented below.
The change in pressure inside the room covered by the fire can be described by the equation:
(1)
where:
h - distance from the neutral plane, m;
Rozwój pozaru zalezy od wielu czynników. Pozar inicjowa-ny jest na jednym z pi?ter budynku wielopoziomowego i nalezy ograniczyc jego zasi?g do tego pi?tra. Poniewaz powierzchnia jest zamkni?ta, przebieg pozaru zalezy od dost?pnosci zarówno materiatów tatwopalnych, jak i tlenu. Jezeli ogien b?dzie miec do nich dost?p, pozar b?dzie si? rozwijac. Z kolei niedobór któregos z nich sprawi, ze ogien stopniowo wygasnie.
W wyniku pozaru powstajq opary dymu o wysokiej tempera-turze, zmienia si? równiez cisnienie wewnqtrz zaj?tego ogniem pomieszczenia. Zjawiska zachodzqce w trakcie pozaru zostaty sze-rzej opisane w przywotanym wczesniej opracowaniu J. H. Klote'a i J. A. Milke'a [3] oraz wyrazone za pomocq równan ponizej.
Zmian? cisnienia w pomieszczeniu zaj?tym ogniem mozna opisac za pomocq wzoru:
(1)
gdzie:
h - odlegtosc od neutralnej ptaszczyzny, m;
T0 - external temperature, K;
Tf- temperature inside the room covered by the fire, K.
Additionally, the temperature rise is related to an increase in the volume of fire gases, which can be described by the equation:
■V-: _ "o-...- (2)
^inn '"inn
where:
Vout - volume flow out of the space covered by the fire, m3/s; Vinn - volume flow into the space covered by the fire, m3/s; Tout - temperature of the smoke flow out of the space covered by the fire, K;
Vinn - temperature of the air flow into the space covered by the fire, K.
Due to the above factors, smoke obtains buoyancy causing it to spread across the building. In the case of multi-storey buildings, one of the basic directions of the smoke flow is its outflow from the room covered by the fire towards the staircase, especially once the door to the space covered by fire is opened by evacuees.
Additionally, the stack effect may affect smoke in the staircase:
where:
p0 - density of the outdoor air, kg/m3; ps - density of the indoor air/smoke, kg/m3; g - acceleration of gravity, m/s2; h - height, m.
If there are holes in the façade in the staircase or a room covered by the fire, such as an open window, the wind will also have an impact on the spread of smoke in the building. This impact can be determined using the equation:
where:
Apw - wind pressure on the facade of the building, Pa; Cw - dimensionless coefficient, -; p0 - density of the outside air, kg/m3; UH - wind speed at the height of H, m/s.
The above-described factors will affect the direction of smoke movement in the building.
To - temperatura na zewnqtrz, K;
Tf - temperatura w pomieszczeniu zajçtym ogniem, K.
Ponadto wzrost temperatury wiqze siç ze wzrostem objçto-sci gazów pozarowych, którq mozna opisac za pomocq równania:
'•У..: _ "о-...- (2)
^¡nn '"inn
gdzie:
Vout - strumien objçtosciowy powietrza wywiewanego z pomiesz-czenia zajçtego ogniem, m3/s;
Vinn - strumien objçtosciowy powietrza nawiewanego do po-mieszczenia zajçtego ogniem, m3/s;
Tout - temperatura strumienia dymu wywiewanego z pomieszcze-nia zajçtego ogniem, K;
Vinn - temperatura strumienia powietrza nawiewanego do po-mieszczenia zajçtego ogniem, K.
Powyzsze czynniki wptywajq na lotnosc dymu i mogq spra-wic, ze rozprzestrzeni siç on wewnqtrz budynku. W przypadku bu-dynków wielopoziomowych jednym z podstawowych kierunków strumienia dymu jest jego przeptyw z pomieszczenia zajçtego ogniem na klatkç schodowq, szczególnie gdy drzwi do pomieszczenia zostaty otwarte przez ewakuujqce siç z niego osoby.
Na przeptyw dymu w obrçbie klatki schodowej moze dodat-kowo wptywac ciqg kominowy:
gdzie:
Po - gçstosc powietrza na zewnqtrz, kg/m3; Ps - gçstosc powietrza wewnqtrz, kg/m3; g - przyspieszenie grawitacyjne, m/s2; h - wysokosc, m.
Jezeli w elewacji klatki schodowej lub pomieszczenia zajçtego ogniem wystçpujq otwory (np. otwarte okno), wiatr bçdzie równiez przyczyniac siç do rozprzestrzeniania siç ognia wewnqtrz budynku. Oddziatywanie tego czynnika mozna opisac za pomocq równania:
gdzie:
APu, - napór wiatru na elewacjç budynku, Pa; Cw - wspótczynnik bezwymiarowy, -; Po - gçstosc powietrza na zewnqtrz, kg/m3; UH - prçdkosc wiatru na wysokosci H, m/s;
Wyzej opisane czynniki bçdq wptywac na kierunek strumienia dymu wewnqtrz budynku.
Aim of the research
The major aim of the research was to investigate how smoke would spread in the building in the case of a fire and how to protect staircases without PDSs. It was assumed that the ventilation system should:
1. Prevent the staircase from complete smokiness. The part of the staircase located below the level covered by the fire
Cel badan
Gtównym celem badan byta analiza rozprzestrzeniania siç dymu w budynku zajçtym ogniem pod kqtem skutecznosci oddymiania klatki schodowej, której nie wyposazono w system rózni-cowania cisnienia. Zatozono, ze instalacja oddymiania powinna: 1. Zapobiegac catkowitemu zadymieniu klatki schodowej.
Czçsc klatki schodowej zlokalizowana ponizej piçtra zajçte-
should be smoke-free so as to allow the evacuation of people from fire compartments. This parameter was assessed on the basis of transmittance on the floor below the fire level (T1) where it should always be equal to 100%. 2. Remove smoke from the staircase as fast as possible without causing a rise in the level of pressure in the staircase, which could lead to smoke being "pushed" from the staircase into adjacent spaces. The time required to remove smoke was measured from the moment of closing the door of the staircase on the fire level or from the moment the fire was extinguished. It was assumed that smoke should be removed from the staircase in time shorter than the product of 60 seconds and the number of floors above the fire level. It can be assessed by comparing the time required to increase transmittance on sensors T2 and T3. The distance between the two sensors was 1 storey, so the difference between the time needed to achieve the level of transmittance above 60% on each sensor should be shorter than 60 seconds. Additionally, it was assumed that the maximum level of pressure in the staircase should not exceed 5 Pa.
Tests were carried out for the smoke ventilation systems shown in Table 1. Real fires were carried out in order to compare the above system.
Table 1. Smoke ventilation systems under consideration Tabela 1. Instalacje oddymiania obj^te analiz^
go ogniem powinna bye na tyle wolna od dymu, aby mozliwa byta ewakuacja osob znajdujqcych siç w strefach pozaro-wych. Parametr ten oceniono na podstawie obserwacji transmitancji na piçtrach ponizej poziomu zajçtego ogniem (T1) przy zatozeniu, ze powinna ona zawsze wynosie 100%. 2. Umozliwie jak najszybsze usuniçcie dymu z klatki schodowej, za-pobiegajqc przy tym wzrostowi poziomu cisnienia, co mogtoby skutkowae „wypchniçciem" dymu z klatki schodowej na sqsied-nie pomieszczenia. Czas oddymiania mierzony byt od chwili za-mkniçcia drzwi na klatce schodowej na piçtrze zajçtym ogniem lub od chwili zgaszenia pozaru. Przyjçto, ze proces oddymiania klatki schodowej powinien zakorïczyé siç w czasie krotszym niz 60 s pomnozonym przez liczbç piçter powyzej poziomu zajçtego ogniem. Zaktada siç, ze czas ten bçdzie porownywalny do cza-su wymaganego do zwiçkszenia transmitancji w obrçbie czujni-kow T2 i T3. Odlegtose pomiçdzy czujnikami wynosita 1 piçtro, a zatem roznica pomiçdzy czasem potrzebnym na osiqgniçcie transmitancji na poziomie 60% w obrçbie kazdego z czujnikow powinna bye mniejsza niz 60 s. Ponadto zatozono, ze cisnienie na klatce schodowej nie powinno przekraczae 5 Pa. Badania przeprowadzono dla instalacji oddymiania wymie-nionych w tabeli 1. W celu porownania powyzszych instalacji przeprowadzono trzy pozary eksperymentalne.
Nr. Smoke vent Air inlet Door position on the floor covered by the fire
Lp. Klapa dymowa Wlot powietrza Pozycja drzwi na piçtrze zajçtym pozarem
1.2 x 1.5 m on the roof open door 1.2 x 2.05 m, open all the time after evacuation / otwarte przez caty czas po zakonczeniu ewakuacji
1 (A =1.8 m2) / 1,2 x 1,5 m na dachu (A = 1,8 m2) (natural ventilation) / otwarte drzwi 1,2 x 2,05 m (naturalna wentylacja)
2 1.2 x 1.5 m on the roof (A =1.8 m2) / 1,2 x 1,5 m na dachu (A = 1,8 m2) constant inlet of the air 14 000 m3/h open all the time after evacuation /
ciqgty wlot powietrza 14 000 m3/h otwarte przez caty czas po zakonczeniu ewakuacji
3 2 x smoke vent in wall (A = 2.32 m2) / 2 x klapa dymowa w scianie (A = 2,32 m2) mechanically adjusted* make up air supply / mechaniczny* wlot powietrza uzupetniajqcego door with an automatic door closer, closed after evacuation / drzwi z uktadem automatycznego zamykania, zamkni^te po zakonczeniu ewakuacji
* The volume flow rate was variable, depending on the flow through the smoke vent. The goal was to maintain a constant flow through the smoke vent on the roof, equal to 14 000 m3/h.
* Zmienna wartosc objçtosciowego strumienia powietrza zalezna od przeptywu powietrza przez klapç dymowq. Dqzono do utrzyma-nia statego przeptywu powietrza przez klapç na dachu na poziomie 14 000 m3/h.
Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
Experimental Set-Up
Research was conducted in a full-scale, 9-storey building made of reinforced concrete. The tested staircase had two internal and two external walls. The staircase width was 3.6 m and its length was 5.4 m. A single storey (from one floor to the next floor) had a height of 3.35 m. The full height of the staircase was about 33 m. There were two windows on each floor of the
Warunki eksperymentu
Badania przeprowadzono w rzeczywistym, 9-kondygnacyj-nym budynku zelbetonowym. Klatka schodowa o szerokosci 3,6 m i dtugosci 5,4 m posiadata dwie wewnçtrzne i dwie ze-wnçtrzne sciany. Wysokose jednego piçtra wynosita 3,35 m, zas wysokose catej klatki schodowej ok. 33 m. Na kazdym poziomie klatki schodowej znajdowaty siç dwa okna od stro-
staircase, directed to the east. There was one door located on each floor of the staircase. The door on the 4th floor had a width of 1.0 m and a height of 2.05 m. The test room was located on the 4th floor and its dimensions were as follows: 5.7 m (width), 5.8 m (length) and 2.55 m (the main height). The height of the test room was greater near the external wall with windows. Specifically, at a distance of 1.1 m from the windows, the height of the room was 2.77 m. There was a corridor between the test room and the staircase. The corridor was 2.0 m wide and approx. 10 m long. On the ground floor, there was another short corridor placed between the staircase and the exit from the building. On the ground floor, both the door from the staircase to the corridor and the exit door from the building had a width of 1.2 m and a height of 2.05 m.
ny wschodniej, a takze jedna para drzwi. Drzwi na IV pi^trze, na którym zlokalizowane bylo pomieszczenie zaj^te ogniem, mialy 1,0 m szerokosci i 2,05 m wysokosci. Wymiary pomiesz-czenia testowego wynosily: 5,7 m szerokosci, 5,8 m dlugosci i 2,55 m wysokosci glównej. Pomieszczenie to bylo wyzsze przy zewn^trznej scianie z oknami. W odleglosci 1,1 m od okien wysokosc pomieszczenia wynosila 2,77 m. Od klatki schodowej pomieszczenie oddzielal korytarz o szerokosci 2,0 m i dlugosci ok. 10 m. Na parterze znajdowal si$ kolej-ny, krótki korytarz, oddzielaj^cy klatk^ schodow^ od wyjscia z budynku. Zarówno drzwi prowadz^ce z klatki schodowej na korytarz na parterze, jak i drzwi wyjsciowe z budynku mialy szerokosc 1,2 m i wysokosc 2,05 m.
Figure 1. The test building
Rycina 1. Budynek, w ktorym przeprowadzono badania Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
The following parameters were measured during the tests (locations of the measurement points were shown in Figure 2):
- (TP, TD) - smoke temperature. The temperature was measured in the middle of the test room at a height of 2.4 m. The temperature at the door opening was measured at a height of 1.8 at half of the width of the door;
- external air temperature;
- (T1, T2, T3, T4) the light transmittance of the air and smoke in the staircase - four light transmittance measurement points were located in the staircase on floors 3, 4, 5, and 7.
Podczas badan rejestrowano nast^puj^ce parametry (lokali-zacje punktów pomiarowych przedstawiono na rycinie 2):
- (TP TD) - temperatura dymu. Pomiar temperatury prowa-dzono w srodkowej cz^sci pomieszczenia testowego na wysokosci 2,4 m. Pomiar temperatury w otworze drzwio-wym odbywal si$ na wysokosci 1,8 m w polowie szerokosci drzwi;
- temperatura powietrza na zewn^trz;
- (T1, T2, T3, T4) transmitancja swiatla dla powietrza i dymu na klatce schodowej - cztery punkty pomiaru transmitan-
The measurements were performed at a height of 1.8 m, and at a distance of 1.1 m from the exterior wall (the wall with windows). Light transmittance was measured using laser photometers;
- (V sv) - air and smoke flow through the smoke vent (in the wall or on the roof);
- (V fan) - air flow through the fan;
- (Ap) - pressure difference between the staircase and the outside, in the higher part of the staircase.
cji zlokalizowano na klatce schodowej na poziomach 3, 4, Б i ?. Pomiary prowadzono na wysokosci 1,8 m w odlegtosci 1,1 m od sciany zewnçtrznej (sciany z oknami). W pomia-rach transmitancji swiatta uzyto fotometrów laserowych;
- (V sv) - przeptyw powietrza i dymu przez klapç dymowq (w scianie lub na dachu);
- (V fan) - przeptyw powietrza przez wentylator;
- (Ap) - róznica pomiçdzy cisnieniem na klatce schodowej a cisnieniem na zewnqtrz w wyzszej czçsci klatki schodowej.
Smoke vent mounted on the rooftop / Klapa dymowa zainstalowana na dachu budynku
Smoke vent mounted in external wall / Klapa dymowa zainstalowana w scianie zewnçtrznej
EH- ^
T1-T4 - transmittance measurement points I pomiar transmitancji TD - smoke temperature with the door open (at a height of 1,8 m) I temperatura dymu w otworze drzwiowym (na wysokosci 1,8 m) TP - smoke temperature in the test room at a height of 2.4 m I temperatura dymu w pomieszczeniu testowym na wysokosci 2,4 m Ap - measurement of the pressure difference between the staircase and the corridor on the top floor I pomiar róznicy cisnienia na klatce schodowej i korytarzu na najwyzszym piçtrze
V - measurement of the air and smoke flow I pomiar przeptywu powietrza i dymu
Figure 2. The location of the flow, transmittance and temperature measurement points Rycina 2. Lokalizacja punktow pomiaru przeptywu, transmitancji i temperatury
Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
Exit
Wyjscie
Level 08 Piltro 08
Level О? Piltro 0?
Level Об Piltro Об
Level ОБ Piltro ОБ
Level О4 Piltro 04
Level 03 Piltro 03
Level 02 Piltro 02
Level 01 Piltro 01
Level 00 Piltro 00
Additionally, a weather station was installed on the roof of the building to measure the speed and direction of wind.
Na dachu budynku zainstalowano stacjç pogodowq, za posred-nictwem której prowadzono pomiar prçdkosci i kierunku wiatru.
Experimental Procedure
Przebieg eksperymentu
Three real fires were carried out. The typical furniture was used as fuel. The list of materials used for each test is shown in the Table 2.
All doors to the staircase were closed at the beginning of every test. Every device used as part of the smoke management system was turned off before each test. During tests 1 and 2, it was assumed that the staircase door on the 4th floor (the fire area) would remain open till the end of the tests. During test 3, it was assumed that the staircase door on the 4th floor (the fire area) would be opened and closed 5 times. The time of opening
Przeprowadzono trzy pozary w skali rzeczywistej. Pomiesz-czenia testowe wyposazono w typowe zestawy mebli. Tabela 2 zawiera wykaz materiatów uzytych w kazdym z testów.
W momencie rozpoczçcia kazdego testu wszystkie drzwi na klatce schodowej byty zamkniçte. Przed kazdym testem wszystkie urzqdzenia w obrçbie instalacji kontroli rozprzestrzeniania siç dymu byty wytqczone. W ramach testów nr 1 i 2 zatozono, ze drzwi prowadzqce na klatkç schodowq na IV piçtrze (obszar objçty ogniem) pozostanq otwarte az do zakonczenia badan. W ramach testu nr 3 przyjçto, ze drzwi prowadzqce na klatkç
and closing of the door on the 4th floor was shown on the figures below. In each tests, the door on the 4th floor (the fire area) was first opened approximately five minutes after the start of the fire. During each test, it was assumed that smoke ventilation of the staircase would be activated after smoke detection by the smoke detection system. Depending on the test, smoke detection took place between 120 and 180 seconds after the start of the fire.
schodowq na IV piçtrze (obszar objçty ogniem) bçdq otwiera-ne i zamykane piçciokrotnie. Czas otwarcia i zamkniçcia drzwi na IV piçtrze zostat przedstawiony na ponizszych rycinach. Podczas kazdego z testow drzwi na IV piçtrze (obszar objçty ogniem) zostaty po raz pierwszy otwarte ok. 5 min po wybuchu pozaru. W ramach kazdego z testow zatozono, ze oddymianie klatki schodowej rozpocznie siç po wykryciu dymu przez insta-lacjç wykrywania dymu. W zaleznosci od testu nastqpito to po-miçdzy 120. a 180. sekundq od wybuchu pozaru.
Table 2. The list of materials used for each fire test
Tabela 2. Wykaz materiatow uzytych w kazdym z testow pozarowych
No. Lp. Article Artykut Quantity Ilosc Material Material
small set of kitchen furniture MDF board
maty zestaw mebli kuchennych 1 ptyta MDF
2 sink / zlew 1 steel / stal
3 faucet / kran 1 brass / mosiqdz
4 cooker / kuchenka 1 steel/glass stal/szkto
5 table / stot 1 pine timber / drewno sosnowe
6 chair / krzesto 4 pine timber / drewno sosnowe
7 sofa bed / kanapa 1 fabric / foam / HDF board tkanina / pianka / ptyta HDF
8 coffee table / tawa 1 MDF board / ptyta MDF
9 chest of drawers / komoda 4 MDF board / ptyta MDF
10 chest of drawers (with baskets) 1 wood / cotton / polyester / MDF Board
komoda z koszami drewno / bawetna / poliester / ptyta MDF
11 hassock / puf 2 fabric / polyester / MDF Board
tkanina / poliester / ptyta MDF
12 pillow / poduszka 4 polyester / poliester
13 blanket / koc 1 polyester / poliester
14 carpet / dywan 1 polypropylene / latex polipropylen / lateks
15 curtain / zastona 1 polyester / nylon poliester / nylon
16 cornice / karnisz 2 steel / stal
17 rack / wieszak 1 wood / drewno
18 lamp / lampa 1 paper/ steal / glass papier / stal / szkto
19 floor lining (36 m2) / wyktadzina podtogowa (36 m2) 1 PVC / PCV
Corridor Korytarz
_ _ Room test
i:——- Pomieszczenie ;— 'f testowe
00
J^L
O
Additional door (irrelevant for this test) - kept always closed / Dodatkowe drzwi (nieistotne dla prowadzonego testu) - caty czas zamkni^te
Door between the corridor and the staircase - closed or opened Drzwi pomi^dzy korytarzem a klatka schodow^ - zamkni^te lub otwarte
Source: Own elaboration. Zrodlo: Opracowanie wtasne.
Figure 3. The plan of the 4th floor of the building (including the test room and the corridor) Rycina 3. Rzut IV piçtra budynku (obejmuj^cy pomieszczenie testowe i korytarz) Source: Own elaboration. Zrodlo: Opracowanie wtasne.
Success Criteria
The following parameters were assessed during the tests:
- checking if the smoke would fall below the level covered by the fire. It was desirable that smoke would not be below this level;
- checking the level of pressure in the staircase above the level covered by the fire;
- determining the time required to remove smoke from the staircase.
The assessment criteria were further described in Aim of the research section.
Kryteria powodzenia
Podczas kazdego z testów oceniano nastçpujqce parametry:
- sprawdzenie, czy dym opada ponizej poziomu zajçtego pozarem. Pozqdana byta sytuacja, w której dym nie znaj-duje siç ponizej tego poziomu;
- sprawdzenie poziomu cisnienia na klatce schodowej po-wyzej poziomu zajçtego ogniem;
- czas potrzebny na oddymienie klatki schodowej.
Kryteria oceny opisano we wczesniejszej sekcji: Cel badan.
Results
Wyniki
The results of the tests are presented below. In test 1, the fire was put out after 10 minutes to prevent flashover. In test 2, flashover occurred after about 10 minutes and the fire was put out after about 22 minutes. In test 3, there was no flashover and the fire was put out after about 25 minutes.
Podczas testu nr 1 ogien zgaszono po 10 min, aby zapobiec prze-skokowi ptomieni do sqsiednich pomieszczen. Podczas testu nr 2 po ok. 10 min nastqpit przeskok ptomieni do sqsiednich pomieszczen. Ogien zgaszono po ok. 22 min. Podczas testu nr 3 nie nastqpit przeskok ptomieni do sqsiednich pomieszczen. Ogien zgaszono po ok. 2Б min.
Figure 4. A view of the room 2 minutes after starting fire test 1 Rycina 4. Wyglgd pomieszczenia 2 min po rozpocz^ciu testu pozarowego nr 1
Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
Figure 5. A view of the room 6 minutes after starting fire test 1 (all the tests looked similar)
Rycina 5. Wyglgd pomieszczenia 6 min po rozpocz^ciu testu pozarowego nr 1 (wszystkie testy przebiegaty podobnie) Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
1200
1000
800
600
400
0:00
0:05
0:10
0:15
Time I Czas [hh:mm]
0:20
0:25
T room 2,4 m (fire 1 ) / (pozar 1 ) Door 4 (fire_01) / Drzwi 4 (pozar_01)
T room 2,4 m (fire 2) / (pozar 2) Door 4 (fire 2) / Drzwi 4 (pozar 2)
Open I Otwarte Closed I Zamkniçte
0:30
T room 2,4 m (fire 3) / (pozar 3) Door 4 (fire 3) / Drzwi 4 (pozar 3)
Figure 6. Door position and smoke temperature (T) measured on the measurement point located above the sofa at height of 2.4 m Rycina 6. Pozycja drzwi i temperatura dymu (T) zarejestrowane w punkcie pomiarowym zlokalizowanym nad kanapg na wysokosci 2,4 m Source: Own elaboration/Zródto: Opracowanie wtasne.
Figures 7 and 8 show that during the initial phase of all fire tests, the increase in smoke temperature had a similar characteristic. It was associated with the combustion process of the backrest and seat of the sofa. The further development of the fire depended on the amount of oxygen in the room. A fast temperature increase, observed during tests 1 and 2 (a continuous air inflow to the room in which the fire was located), can lead to flashover in 10 to 15 minutes. Once this phenomenon occurs, the inflow of large amounts of hot smoke to the staircase is expected. A higher temperatures of fire gases is conductive to a higher efficiency of the natural smoke exhaust. In other conditions that occurred during test 3 (a periodical air inflow to the room), the smoke in the staircase may have a much lower temperature, which means worse conditions for the operation of natural smoke ventilation systems.
Ryciny 7 i 8 pokazujq, ze w pierwszej fazie wszystkich testów pozarowych charakterystyka wzrostu temperatury dymu byta po-dobna, co wynikato z procesu spalania oparcia i siedziska kanapy. Dalszy rozwój pozaru zalezat od ilosci tlenu dostçpnej w pomiesz-czeniu. Szybki wzrost temperatury obserwowany podczas poza-rów nr 1 i 2 (ciqgty naptyw powietrza do pomieszczenia, w którym zlokalizowany byt pozar) moze skutkowac przeskokiem ptomieni do sqsiednich pomieszczen w ciqgu 10-15 min. Kiedy to nastqpi, nalezy oczekiwac naptywu duzej ilosci gorqcego dymu na klat-kç schodowq. Wyzsza temperatura gazów pozarowych koreluje z wyzszq wydajnosciq naturalnego wyciqgu dymu. W odmiennych warunkach, jakie wystqpity przy pozarze nr З (okresowy naptyw powietrza do pomieszczenia), dym na klatce schodowej mógt miec znacznie nizszq temperaturç, co oznacza gorsze warunki dziatania instalacji naturalnego oddymiania.
900 800 700 600 500 400 300 200 100
д
\\
I \
/ \
/ V
'-
0:00
0:05 -
0:10
0:15
0:20
0:25
T door 4 (f¡ re 1 ) / (pozar 1 )
Door 4 (fire_01 ) / Drzwi 4 (pozar_01 )
Time / Czas [hh:mm]
T door 4 (fire 2) / (pozar 2) Door 4 (fire 2) / Drzwi 4 (pozar 2)
sz oo
cl cl
Open IOtwarte Closed I Zamkniçte
T door 4 (fire 3) / (pozar 3) Door 4 (fire 2) / Drzwi 4 (pozar 3)
Figure 7. Door position and smoke temperature (T) measured on the measurement point located at the door at a height of 1.8 m Rycina 7. Pozycja drzwi i temperatura dymu (T) zarejestrowane w punkcie pomiarowym zlokalizowanym w drzwiach na wysokosci 1,8 m Source: Own elaboration/Zródto: Opracowanie wtasne.
.c
3
I a
w rz
lo
ie wi
ir ai
o
d p
n
a u
e m
k y
o d
m w
S ty
pt
e
rz
Pr
on ja io cj
it y
sz oo
CL CL
0:10 0:15 0:20
Time I Czas [hh:mm]
Smoke vent (fire_01) / Klapa dymna (pozar_01) Smoke vent (fire 3) / Klapa dymna (pozar 3) Door 4 (fire 2) / Drzwi 4 (pozar 2)
Smoke vent (fire 2) / Klapa dymna (pozar 2) Fan (fire 3) / Wentylator (pozar 3) Door 4 (fire 3) / Drzwi 4 (pozar 3)
Open I Otwarte Closed I Zamkniçte
Fan (fire 2) I Wentylator (pozar 2) Door 4 (fire_01) I Drzwi 4 (pozar_01)
Figure 8. Smoke flow through the smoke vent and air supply flow (if a fan was used)
Rycina 8. Przeptyw powietrza przez klapç dymowg i przeptyw powietrza nawiewanego (w przypadku uzycia wentylatora) Source: Own elaboration/Zrödto: Opracowanie wtasne.
Figure 8 presents the observed dependence between the amount of smoke flowing through the smoke removal device and the type of the smoke removal system, and the fire phase. Fire 1 (the violet line) illustrates the flow through the smoke damper of the natural system with a continuous inflow hot smoke to the staircase. During fire 2, the accumulation of smoke generated during the fire and the make-up air with constant efficiency occurred. The smoke ventilation system supported by variable make-up air supply, as used during fire 3, allowed keeping the flow through the smoke removal device at a constant level. The flow through the smoke removal device was in this case very similar to the flow recorded for the natural system.
Maintaining a constant flow through the smoke ventilation device at a controlled level is necessary for maintaining the overpressure in the staircase space at a level not exceeding 5 Pa. The accumulation of fire gases, which occurred during fire 2, increased the pressure near the measurement point to above 20 Pa (Figure 9). In such conditions, there was a risk of smoke being "pushed" from the staircase into adjacent rooms.
Rycina 8 przedstawia zaleznosc pomi^dzy ilosciq dymu prze-ptywajqcego przez urzqdzenie oddymiajqce, rodzajem instalacji oddymiajqcej a fazq pozaru. Pozar nr 1 (linia fioletowa) ilustruje przeptyw dymu przez klap? dymowq stanowiqcq element instalacji naturalnego oddymiania przy ciqgtym naptywie gorqcego dymu na klatk? schodowq. Podczas pozaru nr 2 nastqpita akumulacja dymu wytworzonego podczas pozaru i powietrza uzupetniajqcego o statej wydajnosci. Instalacja oddymiajqca utatwita wlot zmiennych ilosci powietrza uzupetniajqcego podczas pozaru nr 3, co pozwolito utrzy-mac staty poziom przeptywu dymu przez urzqdzenie oddymiajqce. Przeptyw dymu byt w tym przypadku zblizony do strumienia, jaki zarejestrowano dla instalacji naturalnego oddymiania.
Utrzymanie przez urzqdzenie oddymiajqce statego przeptywu na kontrolowanym poziomie jest niezb?dne w kontekscie zapo-biegania wzrostowi cisnienia w obr^bie klatki schodowej powyzej 5 Pa. Akumulacja gazow pozarowych, ktora miata miejsce pod-czas pozaru nr 2, skutkowata wzrostem cisnienia w poblizu punk-tu pomiarowego do ponad 20 Pa (ryc. 9). W takich warunkach ist-nieje ryzyko „wypchni^cia" dymu z klatki schodowej do sqsiednich pomieszczen.
* Flash over occurred during fire 2, and measurement equipment was damaged after 11 minutes.
* Przeskok ptomieni do sqsiednich pomieszczen wystqpit podczas pozaru nr 2; urzqdzenia pomiarowe ulegty zniszczeniu po 11 min. Figure 9. Pressure in the upper part of the staircase
Rycina 9. Cisnienie w gornej cz?sci klatki schodowej Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
An important aspect related to each of the smoke exhaust solutions tested is the time of the staircase clearance from smoke, determined on the basis of the light transmittance measurement (Figure 10).
The door to the staircase was opened all the time during test 1. The fire was put out after 18 minutes and the time required to remove smoke was measured from that moment. The level of transmittance at 60% was achieved after 20 minutes on sensor Tr2, while on sensor Tr3 it took 23 minutes 50 seconds. The time required to remove smoke from one floor was 3 minutes 50 seconds.
During test 3, the door on the 4th floor was opened and closed several times. The results presented in the figure show
Przy zastosowaniu kazdego z systemow odprowadzania dymu przeanalizowanych w badaniach, waznym aspektem jest czas potrzebny do oddymienia klatki schodowej, okreslony na podstawie pomiaru transmitancji swiatta (ryc. 10).
W przypadku pozaru nr 1 drzwi prowadzqce na klatk? schodowq pozostawaty przez caty czas otwarte. Czas potrzebny do oddymienia mierzono od chwili zgaszenia ognia, co nastqpito po 18 min od rozpocz?cia eksperymentu. Transmitancj? na poziomie 60% zarejestrowano po 20 min na czujniku Tr2 oraz po 23 min 50 s na czujni-ku Tr3. Czas niezb?dny do oddymienia jednej kondygnacji wyniost 3 min 50 s.
Podczas pozaru nr 3 drzwi na IV pi?trze byty otwierane i zamy-kane kilkukrotnie. Wyniki przedstawione na rycinie ukazujq czasy
----- Tr 2 (fire 1) / (pozar 1) - Tr 3 (fire 1)/ (pozar 1)
....... Tr 2 (fi re 2)/(pozar 2) - Tr 3 (fire 2) / (pozar 2)
Tr 2 (fire 3) / (pozar 3) Tr 3 (fire 3) / (pozar 3)
* Flash over occurred during fire 2, and measurement equipment was damaged after 11 minutes.
* Przeskok ptomieni do sgsiednich pomieszczen wystgpit podczas pozaru nr 2; urzgdzenia pomiarowe ulegty zniszczeniu po 11 min.
Figure 10. Measurement of light transmittance above the level covered by the fire Rycina 10. Pomiar transmitancji swiatta powyzej poziomu zajçtego pozarem Source: Own elaboration. Zródto: Opracowanie wtasne.
the smoke clearance times obtained after each door closing. The measurements showed that during the five-time closing of the door, the time of smoke cleaning in four cases was in the range of 25-60 s. In one case, this time was longer.
Initially, the smoke moved down the staircase due to its low temperature during test 1. Then, it began to flow up as a result of the increasing power of the fire (an increase in the temperature of smoke flowing into the staircase). The phenomenon of the smoke flowing down was not observed during test 3 (100% transmittance).
A higher effectiveness of mechanical solutions compared to the natural smoke control system can be observed. The difference in effective protection against smoke falling can also
oddymienia uzyskane po kazdorazowym zamkniçciu drzwi. Jak wynika z pomiarów, podczas piçciokrotnego zamykania drzwi czas potrzebny do oddymienia w czterech przypadkach wynosit 25-60 s. W jednym przypadku czas ten byt dtuzszy.
W pozarze nr 1 dym poczqtkowo przemieszczat siç w dót klatki schodowej z uwagi na niskq temperatura W miarç rozwoju pozaru kierunek przeptywu siç odwrócit (wskutek wzrostu tempe-ratury dymu naptywajqcego na klatkç schodowq). Zjawiska prze-mieszczania siç dymu w dót klatki schodowej nie zaobserwowa-no podczas pozaru nr 3 (transmitancja na poziomie 100%).
Porównujqc rozwiqzania mechaniczne z instalacji naturalnego oddymiania, odnotowano ogólnie wyzszi wydajnosc tych pierwszych. Róznice pod wzglçdem skutecznosci ochrony przed
cj
80
60
0:00
1
0:05
0:10
0:15
0:20
0:25
0:30
Tri (fire 1)/(pozar 1)
Tr 1 (fire 2) / (pozar 2)
Tr 1 (fire 3) / (pozar 3)
Figure 11. Measurement of light transmittance below the level covered by the fire Rycina 11. Pomiar transmitancji swiatta ponizej poziomu zajçtego pozarem Source: Own elaboration. Zrodto: Opracowanie wtasne.
be seen in Figure 12. The smoke exhaust system assisted by mechanical ventilation, regardless of the temperature of smoke, keeps smoke above the storey on which the fire is located (photo on the right). Natural smoke removal at lower smoke temperatures does not prevent it from falling to lower floors (photo on the left).
naporem dymu mozna zaobserwowac na rycinie 12. System od-prowadzania dymu w potqczeniu z wentylacjq mechanicznq, nie-zaleznie od temperatury dymu, pozwala utrzymac dym ponad piç-trem, na którym zlokalizowany jest pozar (zdjçcie po prawej). Przy nizszych temperaturach dymu instalacja naturalnego oddymiania nie zapobiega jego opadaniu na nizsze piltra (zdjçcie po lewej).
Figure 12. Smoke in the staircase during test 1 (left side) and test 2 (right side), 45 and 75 seconds after opening the door
Rycina 12. Widok dymu na klatce schodowej podczas testu nr 1 (po lewej) i testu nr 2 (po prawej) odpowiednio 45 i 75 sekund po otwarciu drzwi
Source: Own elaboration.
Zrodto: Opracowanie wtasne.
Discussion
The conducted research enabled tracking the development of a fire and smoke spreading inside the staircase equipped with various ventilation systems. The following observations were made:
- If there is a permanent supply of air to the fire through the open door, it leads to the fire development , and possibly to flashover (fire 2). If the door to the space covered by fire is closed (fire 3), the temperature above the fire and, therefore its power, is reduced;
- Before the flashover, the temperature of smoke flowing to the staircase was to 200°C (fire 1, fire 2, fire 3). After the flashover, the temperature was higher and achieved the level of 700°C (fire 2). The inflow of hot smoke and the inlet of a constant amount of air to the staircase led
Omówienie wyników
Przeprowadzone badania pozwolity na przeanalizowanie roz-woju pozaru oraz rozprzestrzeniania síq dymu na klatce schodowej wyposazonej w rózne instalacje wentylacyjne. Zaobser-wowano, ze:
- Staty naptyw powietrza do pomieszczenia zajQtego ogniem przez otwarte drzwi prowadzi do rozwoju pozaru i moze skutkowac przeskokiem ptomieni do sqsied-nich pomieszczeñ (pozar nr 2). W przypadku zamkniQcia drzwi do pomieszczenia zajQtego pozarem (pozar nr 3) temperatura powyzej linii ognia, a tym samym jego sita, ulegajq obnizeniu.
- Przed przeskokiem ptomieni do sqsiednich pomieszczeñ temperatura dymu naptywajqcego na klatkQ schodowq wy-nosita do 200°C (pozar nr 1, pozar nr 2, pozar nr 3). Po prze-
to a pressure increase in the staircase above the level covered by the fire (fire 2). The outflow of hot fire gases and the supply of a constant amount of air led to a pressure increase in the staircase above the fire level (fire 2). During test 2, the pressure increased to +20 Pa and such a value can lead to smoke being "pushed" into adjacent spaces.
- Test 1 showed that the smoke fell below the level covered by the fire at the beginning of the test, when it was cold and did not have the buoyancy force. Only the intense development of the fire directed the flow up the staircase. It can be assumed that, in the case of closing the door between the staircase and the fire area, the smoke would remain on the staircase for a long time. The use of a natural smoke control system consisting of a smoke vent in the roof and opening the door on the ground level would not be effective in the case of cold smoke.
- The speed at which smoke was removed from the staircase was assessed after putting out the fire. The assessment was carried out for the level of transmittance equal to 60%. Fire 1 was put out after 10 minutes, and the level of 60% transmittance was reached after 19 minutes on sensor Tr2 and after 23 minutes on sensor Tr3. Fire 3 was put out after 25 minutes, and the level of 60% trans-mittance was reached after 26 minutes and 30 seconds on sensor Tr2 and after 27 minutes and 20 seconds on sensor Tr3. Smoke was removed 4 times faster in test 3 than in test 1.
- During tests 1 and 3, the level of pressure did not exceed 5 Pa. Only during test 2, the pressure level exceeded 20 Pa.
Conclusions
The conducted tests lead to the conclusion that the best solution to protect staircases without PDSs would be to use a smoke ventilation system made of a smoke vent mounted at the top of the building and mechanically adjusted make up air supply on the ground level.
Acknowledgements
This work was supported by the SMAY Sp. z. o. o., Poland (project 'bezpiecznaewakuacja.pl'). The project also involved fire safety specialists from the Scientific and Research Center for Fire Protection - National Research Institute, the Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering at the Warsaw University of Technology, the Silesian University of Technology, the Main School of Fire Service in Warsaw, and an independent group of scientists.
skoku ptomieni nastipit wzrost temperatury do 700°C (pozar nr 2). Naptyw goricego dymu w poticzeniu z wlotem statych ilosci powietrza na klatki schodowi spowodowat wzrost cisnienia na klatce schodowej powyzej piitra zajitego ogniem (pozar nr 2). Odptyw goricych gazów pozarowych w poti-czeniu z naptywem statych ilosci powietrza skutkowat z ko-lei wzrostem cisnienia na klatce schodowej powyzej piitra zajitego ogniem (pozar nr 2). Podczas testu cisnienie wzro-sto powyzej 20 Pa. Tak wysokie cisnienie moze skutkowac „wypchniiciem" dymu do sisiednich pomieszczen.
- Podczas testu nr 1 stwierdzono, iz poczitkowo dym opadt ponizej piitra zajitego ogniem, z uwagi na niski tempe-raturi i brak lotnosci. Zmiana kierunku przeptywu dymu nastipita dopiero, gdy pozar znacznie sii rozwinit. Mozna zatozyc, ze w przypadku zamkniicia drzwi pomiidzy klatki schodowi a obszarem objitym ogniem dym przez dtugi czas utrzymatby sii wewnitrz klatki schodowej. Zastoso-wanie instalacji naturalnego (grawitacyjnego) oddymiania z klapi dymowi zlokalizowani na dachu i otwarcie drzwi na parterze nie stanowi skutecznego rozwiizania, gdy mamy do czynienia z zimnym dymem.
- Czas niezbidny do oddymienia klatki schodowej liczo-no od momentu wygaszenia pozaru, przyjmujic jako wy-znacznik transmitancji na poziomie 60%. W przypadku pozaru nr 1 ogien zgaszono po 10 min, zas transmitancji na poziomie 60% uzyskano po 19 min w obribie czujnika Tr2 i po 23 min na czujniku Tr3. W przypadku pozaru nr 3 ogien zgaszono po 25 min, a transmitancji na poziomie 60% uzyskano po 26 min 30 s w obribie czujnika Tr2 i po 27 min 20 s na czujniku Tr3. Podczas testu nr 3 oddymie-nie nastipito cztery razy szybciej niz podczas testu nr 1.
- W trakcie pozarów nr 1 i 3 cisnienie nie przekroczyto 5 Pa, zas podczas pozaru nr 2 jego wartosc przekroczyta 20 Pa.
Wnioski
W wyniku przeprowadzonych testów stwierdzono, iz najsku-teczniejszym rozwiizaniem w kontekscie oddymiania klatki schodowej niewyposazonej w system róznicowania cisnienia jest uzycie klapy dymowej zlokalizowanej na dachu w poticzeniu z mecha-nicznym wlotem powietrza uzupetniajicego, umiejscowionym na parterze.
Podziçkowania
Badanie zrealizowano przy wsparciu SMAY Sp. z. o.o., Polska (projekt bezpiecznaewakuacja.pl). W projekcie wziili takze udziat specjalisci z zakresu bezpieczenstwa pozarowego z nastipuji-cych instytucji: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciw-pozarowej - Panstwowy Instytut Badawczy, Wydziat Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inzynierii Srodowiska Politechniki Warszawskiej, Politechnika Sliska i Szkota Gtówna Stuzby Pozarniczej, oraz niezalezna grupa naukowców.
Literature/Literatura
[1] NFPA 92 Standard for Smoke Control Systems.
[2] PN-EN 12101-6:2007 Smoke and heat control systems
- Part 6:Specification for pressure differential systems
- Kits.
[3] Klote J. H., and Milke J. A., Principles of Smoke Management, ASHREA, Atlanta 2002.
[4] Bellido C., Quiroz A., Panizo A., Torero J. L., Performance Assessment of Pressurized Stairs in High Rise Buildings, "Fire Technology" 2009, 45, 189-200, https://doi. org/10.1007/s10694-008-0078-0.
[5] Acikyol B. H., Kilic A., Balik G., Experimental Investigation of the Effect of Fire Protection Lobby on Stair Pressuriza-tion System in a High-Rise, Building, "Fire Technology" 2017, 53, 135-151, https://doi.org/10.1007/s10694-015-0560-4.
[6] VdS 2221:2007-06 VdS Richlinien fur Entrauchungsanla-gen in Treppenraumen (ETA) - Planung und Einbau.
[7] PN-B 02877 Ochrona przeciwpozarowa budynkow - Instala-cje grawitacyjne do odprowadzania dymu i ciepta - Zasady projektowania.
[8] Smardz P, Staircase fire ventilation in middle-high buildings in Europe, Scientific-Technical Seminar in Zakopane, Poland 2016.
[9] Zhao G., Beji T., Merci B., Study of FDS simulations of buoyant fire-induced smoke movement in a high-rise building stairwell, "Fire Safety Journal" 2017, 91, 276-283, https://doi.org/10.1016Xj.firesaf.2017.04.005.
GRZEGORZ KUBICKI, PH.D. ENG. - A specialist in the field of fire ven -tilation systems. For 15 years, lecturer of the fire ventilation subject and in post-graduate studies 'Building smoke extraction systems -fire ventilation'. Participant of research programmes and co-creator of technical solutions for modern smoke prevention systems for the evacuation and smoke extraction of stairwells.
IZABELA TEKIELAK-SKAtKA, M.SC. - graduated from the Cracow Technical University in 2010 with a M.Sc. degree. Head of the department of research and CFD analysis at SMAY Sp. z o.o. She has been researching various fire ventilation systems for 8 years.
MARCIN CISEK, M.SC. - graduated from the Main School of Fire Service in Warsaw in 2003 with the master degree in fire protection engineering. Since then he has been a lecturer at the Faculty of Civil Safety Engineering in the Main School of Fire Service. For the last 17 years he has also been working as a fire protection engineer and an expert in a fire protection consultant company. He is a Ph.D. candidate at the Building Technical Institute.
DR INZ. GRZEGORZ KUBICKI - specjalista w dziedzinie wentylacji pozarowej. Od 15 lat prowadzi na uczelni zajçcia z wentylacji pozarowej oraz wyktady w ramach studiów podyplomowych z zakresu systemów oddymiania budynków - wentylacji pozarowej. Uczestnik programów badawczych oraz wspóttwórca rozwigzañ technicznych na potrzeby wspótczesnych systemów zapobiegania rozprzestrzenianiu dymu w procesie ewakuacji i oddymiania klatek schodowych.
MGR INZ. IZABELATEKIELAK-SKAtKA -w 2010 r.ukoñczyta studiana Politechnice Krakowskiej, uzyskujgc tytut magistra. Kierownik dzia-tu badañ i analiz CFD w przedsiçbiorstwie SMAY Sp. z o.o. Od 8 lat prowadzi badania nad róznymi systemami wentylacji pozarowej.
MGR INZ. MARCIN CISEK - w 2003 r. ukoñczyt Szkotç Gtównq Stuzby Pozarniczej, uzyskujgc tytut magistra w dziedzinie inzynierii bez-pieczenstwa pozarowego. Od tego czasu wyktada na Wydziale Inzynierii Bezpieczenstwa Cywilnego Szkoty Gtównej Stuzby Pozarniczej. Od 17 lat pracuje takze jako inzynier i ekspert ds. bezpieczenstwa pozarowego w firmie konsultingowej. Otworzyt prze-wód doktorski w Instytucie Techniki Budowlanej.
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyzszego
Stworzenie anglojçzycznych wersji oryginalnych artykutów naukowych wydawanych w kwartalniku „BITP. Bezpieczeñstwo i Technika Pozarnicza" - zadanie finansowane w ramach umowy 658/P-DUN/2018 ze srodków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyzszego przeznaczonych na dziatalnosc upowszechniaj^c^ naukç.
