CC BY
112
GRANOVSKIY E.A LYFAR V.A VORONA A.P BARBUCA I.M
Naukowe Centrum Badania Ryzyka „Rizikon", Severodonieck, Ukraina dr inz. Wojciech JAROSZ Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej
MODELOWANIE EWAKUACJI PODCZAS POZARÖW BUDYNKÖW - ANALIZA RYZYKA
Modelling the evacuation during fires of buildings - the risk analysis
Streszczenie
We wspolczesnych wielokondygnacyjnych budynkach maj^cych zlozon^ geometric, trudno jest okreslic efektywnosc systemu ochrony przeciwpozarowej. Wynika to z duzej liczby wariantow powstawania i rozwoju pozarow. Skutecznosc i niezawodnosc systemu ochrony przeciwpozarowej okresla si? poziomem dopuszczalnego ryzyka znajduj^cych si? w budynku ludzi. Podniesienie poziomu bezpieczenstwa wymaga wi?kszych nakladow finansowych.
Artykul przedstawia program komputerowy "Pozaryz" umozliwiaj^cy okreslanie wskaznikow ryzyka na podstawie modelowania duzej ilosci wariantow powstawania i rozwoju pozarow w budynkach, z uwzgl?dnieniem prawdopodobienstwa zadzialania lub braku dzialania systemow ochrony przeciwpozarowej. Program sklada si? z czterech modulow: Redaktor, CFAST, Ewakuacja i Ryzyko.
Modul REDAKTOR przeznaczony jest do okreslania, za pomoc^ narz?dzi graficznych, metrycznych i wektorowych, wlasnosci przestrzeni i obiektow.
Modul CFAST wykorzystuje dwustrefowy model pozaru w budynku. Pozwala on na uzyskanie zmian w czasie parametrow pozaru: mocy zrodla pozaru, wydzielania ciepla i produktow spalania, z uwzgl?dnieniem konstrukcji pomieszczen i otworow, mozliwych srodkow oddymiania i otwarcia/zamkni?cia wybranych otworow.
Modul EWAKUACJA pozwala modelowac proces ewakuacji ludzi z budynku przez otwarte otwory i drzwi najkrotsz^ dost?pn^ drog^ z uwzgl?dnieniem przeszkod, charakterystyki przemieszczania si? grup, powierzchni
przemieszczania si?, g?stosci strumieni ludzi, przepustowosci wyjsc ewakuacyjnych, opoznienia pocz^tku ewakuacji z wielu pomieszczen.
Modul RYZYKO okresla mozliw^ liczb? ofiar smiertelnych i umowne prawdopodobienstwo smierci podczas pozaru z uwzgl?dnieniem prawdopodobienstwa przebywania czlowieka w budynku zgodnie z jego dobowym trybem zycia i obowi^zkami sluzbowymi.
Wykorzystanie poszczegolnych modulow w jednym wzajemnie zintegrowanym programie pozwala na oszacowanie poziomu bezpieczenstwa przeciwpozarowego budynkow. Zastosowane moduly obliczeniowe umozliwiaj^ analiz? procesu ewakuacji ludzi, dynamiki rozwoju pozaru i na tej podstawie ocen? poziomu ryzyka obrazen ludzi znajduj^cych si? w budynku. W przypadku przekroczenia dopuszczalnej wartosci ryzyka grupowego, program umozliwia poszukiwanie skutecznych rozwi^zan ochrony przeciwpozarowej w budynku w celu obnizenia wyliczonej wielkosci ryzyka do dopuszczalnej.
Summary
In modern multi-storey buildings with a rich geometry, it is difficult to determine the effectiveness of fire protection system. The main reason is the large number of variants of the origin and development of fires. The effectiveness and reliability of the fire protection system is defined by the level of acceptable risk for people in the building. Raising the level of safety usually requires greater financial resources.
This paper presents the software "Pozaryz", which allows to determine the indicators of integral risk based on extensive modeling of creation and development of fires in buildings, including the likelihood of adequate response or lack of fire protection systems. The program consists of four modules: Graphic Editor, CFAST, Evacuation, and Risk.
GRAPHIC EDITOR module is designed to create the properties of space and objects using graphical, metric and vector tools.
The CFAST module uses a two-zone model of fire in the building. It allows to track changes in different parameters during the fire depending of baseline parameters such as the power of the fire, creation of the heat and combustion products as well as other variables like construction of the buildings, openings, smoke removal and possible opening/closing some openings.
EVACUATION module allows to model an evacuation from the building through the open door and the shortest available route, with regard possible obstacles, characteristics of the movement of people, the density of the stream of people, capacity of emergency exits, and delay in the beginning of the evacuation from many places in the building.
RISK module determines the possible number of fatalities and the accepted probability of death during a fire, taking into account the probability of presence of people in the building according to their daily behavior and duties.
The use of individual modules in a one integrated program allows to evaluate the level of fire safety of the buildings. Computing modules allow to assess evacuation processes, fire growth dynamics and finally the level of people risk in the building. If the calculated value of the social risk exceeds the acceptable level, the software may help to search for solutions to increase the fire protection in the building to reduce calculated risk to an acceptable size.
Slowa kluczowe: ewakuacja, pozar, program komputerowy Pozaryz, ryzyko; Keywords: evacuation, fire, computer program Pozaryz, risk;
Wprowadzenie
Pozary w budynkach charakteryzuj ^ siç szybkim rozprzestrzenianiem siç czynnikow niebezpiecznych (wysoka temperatura, ograniczenie widocznosci, stçzenie O2, CO, CO2, i in.). Bezpieczenstwo ludzi znajduj^cych siç w budynku w czasie pozaru moze bye realizowane przede wszystkim poprzez efektywn^ ewakuacjç oraz zastosowanie srodkow zmniejszaj^cych szybkose rozprzestrzeniania siç niebezpiecznych czynnikow pozaru i/lub jego lokalizacji i likwidacji. We wszystkich przypadkach, ludzie powinni opuscie strefç niebezpieczn^ i budynek przed odciçciem drog ewakuacji.
We wspolczesnych wielokondygnacyjnych budynkach maj^cych zlozon^ geometriç, zarowno podczas ich projektowania, jak i rekonstrukcji trudno jest okreslie efektywnose systemu ochrony przeciwpozarowej. Wynika to z duzej liczby wariantow powstania i rozwoju pozarow. Skutecznose i niezawodnose systemu ochrony przeciwpozarowej okresla siç poziomem dopuszczalnego ryzyka indywidualnego i grupowego znajduj^cych siç w budynku ludzi [1]. Podniesienie poziomu bezpieczenstwa wymaga niew^tpliwie wiçkszych nakladow finansowych.
Struktura programu „Pozaryz"
Podczas modelowania ewakuacji, w celu okreslenia skutecznosci zadanych drog ewakuacji, wybiera siç najgorszy wariant pozaru pod wzglçdem miejsca jego powstania [2]. W wielopiçtrowych budynkach, w ktorych zazwyczaj przebywa duza liczba ludzi, istnieje tez duzo wariantow miejsc powstania pozaru. Kazde z nich bçdzie najgorszym miejscem powstania pozaru tylko dla wybranej jednej grupy ludzi. Dlatego do rzetelnej oceny ryzyka potrzebny jest szczegolnie dokladny spis mozliwych wariantow powstania i rozwoju pozaru w budynku, jak rowniez potencjalnych wariantow ewakuacji.
W tym celu Naukowe Centrum Badania Ryzyka Rizikon opracowalo program komputerowy umozliwiaj^cy wykonanie modelu budynku, modelowanie w nim wielu ognisk pozaru z mozliwosci^ zmiany niebezpiecznych czynnikow pozaru w czasie i przestrzeni, modelowanie ewakuacji ludzi z uwzglçdnieniem blokady drog ewakuacji i wyboru drog nie
zablokowanych, okreslanie integralnych wskaznikôw ryzyka. Nizej na rys. 1. pokazano struktur? programu.
Ryc. 1. Struktura programu komputerowego „Pozaryz" Fig. 1. The structure of the computer program "Pozaryz"
Zrôdlo: Opracowanie wlasne
Modul „Redaktor" przeznaczony jest do okreslania, za pomoc^ integralnych narzçdzi graficznych, metrycznych i wektorowych, wlasnosci przestrzeni i obiektôw. Umozliwia on:
• utworzenie warstwowych plaskich grup komôrek w zadanej metrycznej przestrzeni, w zalozonym wymiarze i z zadanymi wlasnosciami, drog^ dyskredytacji warstwy na podstawie rastrowego obrazu planu warstwy lub wektorowej kombinacji obiektôw w przestrzeni 3D,
• utworzenie i redagowanie przestrzeni budynku z mozliwosci^ przedstawienia jej w formacie wejsciowych danych graficznych modelu „CFAST".
Zbudowana, za pomoc^ modulu „Redaktor", trôjwymiarowa przestrzen badanego obiektu umozliwia modelowanie ewakuacji ludzi przez otwarte drzwi wykorzystuj ^c model indywidualno-strumieniowy. Zadanie to wykonuje kolejny modul „Ewakuacja" daj^cy mozliwosc rozmieszczenia w badanej przestrzeni ludzi. Ta przestrzen importowana do modulu „CFAST" pozwala obliczyc dynamikç rozprzestrzeniania si? niebezpiecznych czynnikôw pozaru w budynku.
Ponizej (Ryc. 2.) przedstawiono plan kondygnacji budynku w zakladzie przemyslowym, utworzony do modelowania pozarow.
Ryc. 2. Przykladowy budynek utworzony za pomoc^ modulu „Redaktor" Fig. 2. An example of a building created with the "Graphic editor" module
Zrodlo: Program "Pozaryz"
Do modelowania pozarow w budynku stosuje si? program „Consolidated Fire Growth and Smoke Transport Model" (model CFAST), ktory, jak pokazano w pracy Kar'kina [3], odwzorowuje model dwustrefowy, przytoczony w [2].
W module CFAST, opartym na wspomnianym wyzej programie, wykorzystano dwustrefowy model pozaru w budynku. Pozwala on na uzyskanie zmian w czasie parametrow wymienionych w tabeli 1: mocy zrodla pozaru, zaleznosci w czasie wydzielania ciepla i produktow spalania, konstrukcji pomieszczen i otworow, mozliwych srodkow oddymiania i otwarcia/zamkni?cia wybranych otworow.
Tabela 1.
Niebezpieczne czynniki pozaru
Table 1.
Dangerous ^ fire factors
Czynnik niebezpieczny Znaczenie kryterium
Temperatura 70 oC
Ograniczenie widocznosci 0,119 m-1
St^zenie O2 17,5 %
St^zenie CO2 8,5 %
St^zenie CO 1495 ppm
St^zenie HCl 17,8 ppm
Zrodlo: Model „Consolidated Fire Growth and Smoke Transport Model" (CFAST)
Na Ryc. 3. przedstawiono wyniki obliczen wielkosci temperatur warstw dla rôznych czasôw trwania pozaru w budynku.
Ryc. 3. Wartosc niebezpiecznych czynnikôw pozaru w budynku w 58 (a) i 166 (b) sekundzie Fig. The value of dangerous factors in building a fire in 58 (a) and 166 (b) the second
Zrôdlo: Program "Pozaryz"
Wyniki obliczen dynamicznych charakterystyk pozaru sluz^ jako podstawa obliczen rôznych wariantôw powstania ognisk pozaru w budynkach, zas modul „Ryzyko" automatycznie szacuje mozliwe obrazenia ludzi drog^ synchronizacji dynamiki rozprzestrzeniania siç niebezpiecznych czynnikôw pozaru i dynamiki procesu ewakuacji ludzi.
Modul „Ewakuacja" pozwala modelowac proces ewakuacji ludzi z budynku przez otwarte otwory i drzwi najkrôtsz^ dostçpn^ drog^ z uwzglçdnieniem przeszkôd, charakterystyki przemieszczania siç grup, powierzchni przemieszczania siç, gçstosci strumieni ludzi, przepustowosci wyjsc ewakuacyjnych, opôznienia pocz^tku ewakuacji z wielu pomieszczen. Rezultaty obliczen mog^ byc przedstawione w calej przestrzeni budynku w formie dynamicznej (Ryc. 4).
Ryc. 4. Modelowanie ewakuacji w budynku przemyslowym Fig.4. Modelling evacuation in an industrial building
Zrôdlo: Program „DnDary"
Modul „Ryzyko" okresla mozliw^ liczbç ofiar smiertelnych i umowne prawdopodobienstwo smierci podczas pozaru z uwzglçdnieniem prawdopodobienstwa przebywania czlowieka w budynku zgodnie z jego dobowym trybem zycia i obowi^zkami sluzbowymi. Zaklada siç, ze prawdopodobienstwo jego obecnosci w dowolnej komôrce przestrzeni budynku jest rôwne. Warunki prawdopodobienstwa smierci czlowieka podczas kazdego pozaru mozna oszacowac (i) jako stosunek powierzchni pomieszczen, z ktôrych ludzie nie zd^zyli siç ewakuowac i zginçli, do calkowitej powierzchni budynku lub (ii) jako stosunek liczby ofiar smiertelnych do ogôlnej liczny ludzi w budynku. Prawdopodobienstwo pozaru w kazdym z potencjalnych miejsc jego powstania w ci^gu jednego roku okresla siç stosuj^c zasadç, ze sumaryczne prawdopodobienstwo powstania chocby jednego pozaru w ci^gu jednego roku jest rôwne statystycznemu prawdopodobienstwu powstania pozaru w budynkach jednego typu. W obliczeniach dla kazdego pozaru uwzglçdnia siç czas rozpoczçcia ewakuacji, miejsce powstania pozaru, systemy alarmowania i prawdopodobienstwa zadzialania zastosowanych srodkôw ochrony (oddymiania, gaszenia
pozaru i Dn.). Nizej w tabelach 2. i 3. przytoczono wyniki analizy wplywu niektorych srodkow ochrony na wskazniki indywidualnego ryzyka podczas pozarow w budynkach produkcyjnych.
Tabela 2.
Wplyw skutecznosci systemu alarmowania w budynku na indywidualne ryzyko
pozarowe
Tabel. 2.
Wskaznik Czas ewakuacji, s Liczba poszkodowanych ludzi Ryzyko indywidualne
System alarmowania, typ 2 222,4 104 1,686E-3
System alarmowania, typ 3 164,5 44 7,133E-4
Zrodlo: Opracowanie wlasne
Tabela 3.
Przyktad wplywu systemu oddymiania na indywidualne ryzyko pozarowe.
Tabel. 3.
System oddymiania Liczba poszkodowanych ludzi Ryzyko indywidualne
7-krotnej wymiany powietrza 0 0,000E+0
5-krotnej wymiany powietrza 7 1,135E-4
Brak systemu oddymiania 44 7,133E-4
Zrodlo: Opracowanie wlasne
W ten sposob program pozwala, uzywaj^c listy technicznych i organizacyjnych rozwi^zan zastosowanych w danym budynku, okreslac minimaln^ liczbç tych rozwi^zan, przy ktorej ryzyko indywidualne bçdzie nizsze niz przyjçte dopuszczalne.
Dla wielu mozliwych rozwi^zan ustala siç znaczenie indywidualnego ryzyka smierci od pozaru w budynku w ci^gu jednego roku. Uwzglçdniaj^c prawdopodobienstwo realizacji kazdej sytuacji buduje siç wykres F-N, umozliwiaj^cy oszacowanie ryzyka grupowego (Ryc. 5).
1 1 I I I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I I 1 20 40 60 80 1 00 1 20 1 40 150 1 ■ i • I ■ i ■ i • i 0 200 220 240 2G0 28
Ryc. 5. Wykres F-N smierci ludzi podczas pozaru w budynku administracyjnym Fig. 5. Figure F-N social risk during a fire in the office building
Zrodlo: Opracowanie wlasne
Podsumowanie
Program ma struktur? modulow^. Wykorzystanie poszczegolnych modulow w jeden wzajemnie zintegrowanym program, pozwala na oszacowanie poziomu bezpieczenstwa przeciwpozarowego budynkow. Zastosowane moduly obliczeniowe umozliwiaj^ analiz? procesu ewakuacji ludzi, dynamiki rozwoju pozaru i, na tej podstawie, ocen? poziomu ryzyka obrazen ludzi znajduj^cych si? w budynku. Jesli okreslona wartosc ryzyka grupowego przekracza dopuszczaln^, na przyklad liczba szacunkowa ofiar smiertelnych przekracza 10 osob, program umozliwia poszukiwanie skutecznych rozwi^zan ochrony przeciwpozarowej w budynku w celu obnizenia wyliczonej wielkosci ryzyka do dopuszczalnej.
Literatura
1. Federalnyj zakon Rossijskoy Federacji Nr 123-F3 „Tekhnicheskyj reglament o trebovaniakh pozharnoy bezopasnosti"
2. Metodyka opredelenia raschotnykh welichin pozharnowo riska w zdaniyakh, sooruzheniakh i stroyeniakh pazlichnykh klassov funkcyonalnoy pozharnoy opasnosti, utw. prikazom MCS Rossyi ot 30.06.2009 Nr382
3. Kar'kin I.N, Kontap' N.A.,Gpachev V.J., CITIS 2-09. Metodicheskiye rekomendacji po ispolzowaniy programmy CFAST.-OOO „SISIS", 2009, s. 63.
Edward A. Granovsky, Ph.D, Ukraine. In 1965 graduated from Kazan Chemical Technology Institute. In 1978 dissertation on "Investigation of flame propagation and its limits in the gases that form soot". From 1968 to 1993 he worked at the All-Union Scientific Research Institute for Safety in the chemical industry. From 1986 to 1993 - head of the laboratory to prevent explosions and crash protection process in this institute. From 1993 the present Director General of the Scientific Center of Risk Investigations "Rizikon".
Alexander Vorona, Ukraine. In 1998 graduated from East Ukraine Volodymyr Dahl National University. Since 1998, the programmer, and from 2011 Head department of modeling and software development in the Scientific Center of Risk Investigations "Rizikon". Specialization - the development of software systems and information technologies in the field of industrial safety and risk analysis.
Vladimir Lyfar, Ph.D., Ukraine. In 1984 graduated from Odessa State University named after I. I. Mechnikov. From 1992 to 1996, lecturer of the East Ukraine Volodymyr Dahl National University. From 1996 to 2011 worked as Head of department of modeling and software development of the Scientific Center of Risk Investigations "Rizikon".
Igor Barbutsa, Ukraine. Graduated in 1986 Vinnitsa Polytechnic Institute. From 1994 to 2002 he worked in Vinnitsa Regional Association for the Protection of Labour. In 2000, the qualification: a technical expert on industrial safety. From 2003 to date Deputy Director of the Scientific Center of Risk Investigations "Rizikon".
Wojciech Jarosz, PhD, fire officer. In 1993 graduated from The Main School of Fire Service in Warsaw. In 2006 dissertation on Environmental hazards caused by the phenomena slopover and boilover during fires of tanks containing hydrocarbon liquids in Warsaw University of Technology. From 1993 to present has worked at The Main School of Fire Service as assistant, laboratory head and deputy dean.
Recenzenci
prof. dr hab. Miroslaw Kosiorek dr inz. Pawel Oleszczak
