Aplikace inženýrského přístupu v rámci požární bezpečnosti

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021.

1. Úvod

V dnešní době je požárně bezpečnostní řešení stavby stanoveno komplexním souhrnem požadavků a podmínek (tzv. požárním kodexem), které jsou závazné a musí být zohledněny již v návrhové fázi projektu. Požární kodex je kvalitním nástrojem požární bezpečnosti. V některých ohledech dokonce nadále převyšuje kvality standard a norem jiných zemí v EU, ale i přes tento fakt je zapotřebí, aby byl pravidelně novelizován, dokázal reagovat na nové směry vývoje a inovativní potřeby stavebnictví. Dnes se oproti minulosti setkáváme s dříve nemyslitelnými technologiemi, které naprosto přepisují konvenční a zaběhlé přístupy – co se týče, jak z pohledu materiálového (využití recyklovaných materiálů, plastových dílců, kompozitu, lehčených materiálů, izolantů), tak i tvarové rozmanitosti (3D tisk, organické struktury, subtilní konstrukce), provozu (multifunkční prostory, stavby s vysokou kapacitou – stadióny), výšky (výškové budovy), podzemní stavby (garáže, metro, obchodní centra) apod. Aktuálně se v projektech i realizacích setkáváme s různými spojeními těchto možností, které jsou posuzovány stále převážně klasickým normativním přístupem. Nabízí se otázka, jestli i v takto specifických případech je vhodné postupovat dle normativního přístupu; neměly by se tyto budovy vymykající se  tradiční výstavbě posuzovat jinak?

Při pohledu do zahraničí, kde jsou numerické modely běžnou součástí praxe pro účel požárně bezpečnostního posouzení [1], [2], [3], [4], ale také budoucí vývoj stavebnictví, se dá předpokládat potřeba zavedení numerického modelování i na našem území. Prozatím tento přístup není v České republice významně rozšířen možná i z důvodu, že uživatelé a odborná veřejnost není zcela obeznámena s existencí těchto metod a jejich možností, i když vědní disciplína zabývající se požární bezpečností (evakuací, rozvojem požáru, šířením toxických plynů a jejich vlivu na osoby atd.) je v rozvoji již několik desítek let. Je tedy možné pro informovanost a zavádění nového přístupu vycházet z již známých poznatků, studií a metodik primárně ze zahraničích zdrojů [5], [6], [7], [8].

2. Metodika

V současnosti je požárně bezpečnostní posouzení (PBŘ) podřízeno primárně platné legislativě [9], [10], [11], [12], českým technickým normám, tzv. požárního kodexu ČSN 73 08XX vycházejícího z technických norem z 80. let, kde jsou předepsané obecné postupy a požadavky na požární bezpečnost staveb, které jsou stanovovány na základě přesně definovaných postupů – tabelárně či zjednodušenými výpočtovými metodami. Tento normový přístup může být doplněn případně o schválené výpočtové postupy, např. z Eurokódů. Obecně technické normy nejsou závazné, přesto podle výlučného odkazu na přílohu vyhl. Ministerstva vnitra č. 23/2008 Sb., o technických podmínkách požární ochrany staveb (ve znění vyhlášky č. 268/2011 Sb. a dalších platných předpisů) [12], se stal požární kodex spolu s dalšími návaznými normami součástí závazného právního předpisu a jeho užívání je povinné.

V rámci české legislativy, konkrétně dle § 99 zákona č. 133/1985 Sb. o požární ochraně [13], umožňuje autorizovaným osobám při návrhu PBŘ užívat odlišný od postupu, který stanoví česká technická norma nebo jiný technický dokument upravující podmínky požární ochrany. Tzv. rozšířený přístup k řešení požární bezpečnosti a postup odlišný od klasického normativního vychází primárně ze souboru norem ČSN 73 08XX, kde v článku 5.1.3 a příloze I (ČSN 73 0802) je připouštěna možnost vypracování PBŘ pomocí tzv. „inženýrského přístupu“. Další zmínky můžeme najít i v článcích 6.6.10, 6.6.12, 8.4.6, 9.1.1.1. Ve zdroji [16], článek 5.1.3. říká, že „u stavebních objektů, kde je soustředěn velký počet osob (např.: v metru), nebo u objektů ze specifického charakteru provozu (např.: automatický provoz) vyžadujících podrobnější, popř. částečně odchylné řešení oproti této normě, se doporučuje zpracovat odborné expertizy (expertní zprávy, expertní posudky apod.) k projektovému řešení požárního zajištění těchto objektů. V odborné expertize se může užít přesnějších výpočtových metod, analyzujících podrobněji podmínky posuzované stavby po vzniku požáru, zejména intenzitu požáru, jeho šíření a šíření zplodin hoření, podmínky evakuace a zásahu s ohledem na užívání a provoz objektu.“

Odlišný přístup požárně bezpečnostního řešení je navrhován na bázi výsledků kvalitativních a kvantitativních analýz na základě zahraničních technických standardů [5], [6], [7], [8], metodických postupů akceptovaných v tuzemsku [14] anebo tzv. požárního inženýrství (mezi které patří např. i numerické modelování). Tento postup přináší možnost komplexního specifického posouzení PBŘ u nestandardních a vysoce rizikových objektů, které se jak svojí rozlohou a počtem lidí (sportovní stadiony, koncertní sály), tak i složitostí (hotely, obchodní domy) či charakterem provozu (metro) zcela vymykají tradičním stavbám. V případech, kdy není možno klasickým tabulkovým způsobem dostatečně zohlednit specifičnost stavby nebo některých jejích částí, je možné pro stanovení požadavků na PBŘ využít inženýrského přístupu, jelikož je v těchto případech normativní přístup příliš obtížný nebo konzervativní a odlišuje se od skutečnosti. Přístup umožnuje užít přesnějších výpočtových a analytických metod (jakým je třeba model evakuace nebo model požáru, zakouření a šíření toxických látek) za účelem analýzy průběhu evakuace a vývoje požáru (zakouření, toxicitu, vliv konstrukce, …) či posouzení podmínek pro zásah HZS a IZS. Lze tedy říci, že přesnější metody výpočtů a analýzy slouží k upřesnění konečného stanovení požadavků PBŘ a nutných požárně bezpečnostních opatření. Hlavním cílem tohoto specifického posouzení je hospodárný návrh požárně bezpečnostních opatření, při zachování akceptovatelné úrovně požární bezpečnosti a zohlednění čl. 5.1.3, kde je uvedeno, že by toto řešení nemělo zapříčinit zásadní překročení limitních hodnot stanovených požárním kodexem ČSN 73 08XX [16]. Pokud by i přesto došlo k razantnímu snížení požadavku na PBŘ oproti standardům, lze takové řešení považovat za přijatelné pouze v případě předložení kompletních výsledků expertizy, včetně detailního komentáře [15].

3. Vybrané aplikace a výsledky inženýrského posouzení

Během inženýrského posouzení je možné provést detailní analýzu posuzovaného objektu, který je definován třemi základními sadami charakteristik, jako jsou vlastnosti budovy (dispoziční členění, materiálové řešení, dimenze únikových koridorů, vnitřní prostředí), vlastnosti evakuovaných osob (věkové složení, mobilita osob, reakce na pokyn k evakuaci) a vlastnosti požáru (materiál hoření, chemické složení, množství materiálu).

V této části jsou představeny vybrané výsledky aplikací numerických modů v rámci požárně bezpečnostního posouzení, které z části vznikly v rámci vědecko-výzkumného projektu – Výzkum a vývoj ověřených modelů požáru a evakuace osob a jejich praktická aplikace při posuzování požární bezpečnosti staveb (VI20162019034) při tvorbě metodiky [21] a následně i při tvorbě disertační práce autorky.

Aplikační příklad

Jako příklad aplikace inženýrského přístupu bylo zvoleno posouzení nemocniční lůžkové oddělení. Oddělení je posuzováno s plnou kapacitou – 37 pacientů, 7 příchozích a 4 personál oddělení. Dispoziční řešení oddělení tvoří páteřní chodba s šířkou 2,4 m, která zároveň slouží jako nechráněná úniková cesta (NÚC), do níž vedou východy ze všech 18 pokojů. Po obou stranách chodba ústí do CHÚC k evakuačnímu schodišti a výtahu. V rámci posouzení je aplikovaný scénář, kdy v pokoji číslo 5 dochází ke vzniku požáru a následné evakuaci všech pacientů do bezpečí.

Obr. 1 Schéma posuzovaného objektu [15], [21]

Při posouzení probíhá komplexní analýza evakuace unikajících osob a jejich ohrožení účinky požáru, hladinou toxicity, výškou zakouřené vrstvy, radiací či statickým selháním konstrukce – po celou dobu evakuace. Běžné postupy PBŘ nejsou schopny předvídat detailní vývoj jednotlivých dějů, a proto pro jejich analýzu je využívaný inženýrský přístup – konkrétně numerický model evakuace, šíření požáru a toxicity. Díky němu je možné řešit i nestandardní detaily a materiálové řešení (mimo tabulkové hodnoty norem – v tomto případě uvažován spalovaný materiál nylon) a podrobné vyhodnocení teplotních polí expozice a jednotlivých posuzovaných konstrukcí. Běžně požárně bezpečnostní posouzení takové stavby probíhá dle normových předpisů [16], [17], [18], [19], [20], dle zjednodušených výpočtů a tabelárních hodnot, kde výsledkem je zpravidla jedna číselná hodnota.

Analýza účinků požáru na osoby unikající na volné prostranství

Míra ohrožení osoby běžící kolem zcela požárně otevřené plochy (dveří zasaženého pokoje) v blízkosti NÚC (chodba) od účinků požáru se stanovuje dle ČSN 73 0810 čl. 5.3.5, který říká, že osoby nejsou ohroženy, pokud hustota tepelného toku působící na unikající osoby (měřeno v ose nejbližšího ÚP k sálavé ploše) není vyšší než 10 kW.m⁻² do dobu 5 s, při rychlosti osob 0,5 m.s⁻¹. Hodnota tepelného toku nesmí být překročena, ani kdyby expozice osob trvala kratší dobu.

Při normovém výpočtu dle čl. 5.3.5 a) jsou hodnoty hustoty tepelného toku pro vzdálenost osy únikového pruhu od stěny chodby 275 mm – 8,1 kW.m⁻² a pro polohu osy únikového pruhu v ose chodby, tj. ve vzdálenosti 1 200 mm od stěny je vypočtená hustota tepelného toku je v ose únikového pruhu 4,3 kW.m⁻². Osoby unikající z objektu tedy nejsou ohroženy. Výsledky z modelu CFD, jak je možné vidět na Obr. 2, se s výsledky normového výpočtu shodují.

Obr. 2 Vývoj expozice rozvinutého požáru na unikající osobu, 150 s – celkový podhled (vlevo), ve vzdálenosti 275 mm od POP (ve středu) a ve vzdálenosti 1200 mm od POP (vpravo) [21]

V rámci normového posouzení je hodnocena předpokládaná doba evakuace (ČSN 73 0802 dle čl. 9.12.2, ČSN 73 0835), při které všechny osoby mají stejné rychlosti chůze a doba zakouření vycházející z množství uvolněných zplodin (dle ČSN 73 0802 čl. 9.1.2 a)), kdy dochází k posouzení ohrožení osob zplodinami hoření a kouře. Předpokládaná doba evakuace musí vždy být nižší než doba zakouření. Dále jsou hodnoceny mezní délky a šířky únikových cest (dle ČSN 73 0802 čl. 6.4.2 až 6.4.11. a čl. 8.4.1 až 8.4.5.), kde podmínky evakuace z požárního úseku jsou stanoveny součinitelem s, který ovlivňuje potřebný počet únikových pruhů ve vazbě na obsazenost oddělení podle schopnosti/neschopnosti/případně omezení samostatného pohybu. Což je ale také i jediným způsobem zohledněná mobilita evakuovaných. Dle normového přístupu je předpokládaná doba evakuace stanovena t_u = 1,19 min a doba zakouření t_e = 2,28 min (t_u < t_e – vyhovuje).

Při užití numerického modelu lze zohlednit přesné rozložení osob po oddělení, behaviorální vlastnosti osob, jejich mobilitu, manipulační prostor, který potřebují při úniku (běžný pacient, pacient na lůžku, pacient o berlích), i míru soběstačnosti/potřeby asistence. Protože model nepřistupuje k posouzení evakuace jako k homogenní skupině osob, tak doba evakuace stanovená normovým výpočtem a prostřednictvím pokročilého modelu evakuace osob se liší.

V rámci analýzy evakuace byla modelována celá řada kombinací těchto parametrů. Jako názorná ukázka je příklad viz Obr. 3, kde jsou vyobrazeny stavy evakuace v čase 150 s pro varianty kombinace pacientů na lůžku (neschopných samostatného pohybu) a pacientů schopných samostatného pohybu bez nebo s kompenzační pomůckou – 80:20 a 20:80. V případě modelu evakuace je t_u = 10,02 s (varianta 80:20), resp. 3,8 s (varianta 80:20), pro hladinu spolehlivosti P95. Propojením výstupů modelu evakuace a modelu požáru je možné stanovit vývoj a míru zakouření v průběhu času a vliv na zbývající osoby v těchto prostorách.

Obr. 3 Vývoj zakouření (vlevo) a evakuace osob, 150 s – pro poměr samostatných a nesamostatných pacientů – 80:20 (ve středu) a 20:80 (vpravo)

4. Diskuse

V případě takto specifického provozu, jako je například lůžkové oddělní, místo, kde se může vyskytovat velký počet osob neschopných samostatného pohybu, je například velmi důležité detailně tento evakuační proces naplánovat, nejen z pohledu nutné asistence při samotné evakuaci, ale již v provozní fázi při rozmisťování pacientů po oddělení. Samotný výsledek vývoje požáru, toxicity a zakouření v čase je názornou představou nejen pro samotný návrh, ale také plánování případné evakuace, výcvik personálu a pro plánování zásahu IZS. Velkou výhodou numerických modelů je možnost opakovaného ověřování velkého množství variant a vstupních scénářů, díky kterým je možné docílit optimalizovaného řešení, jak z pohledu materiálového řešení, odstranění kritických míst, rozmístění osob po oddělení a naplánování zásahu.

V rámci numerického modelování lze do modelu zanést celou řadu požárních scénářů a jejich charakteristik, na které je následně na základě výsledků možné reagovat změnou návrhu. Zmírňované charakteristiky odrážejí reálné situace, které mohou nastat – např. při požáru lůžkového oddělení, pro požár lze specifikovat konkrétní hořlavé látky, které se zde vyskytují a jejich množství. Dále pak i rozmístění pacientů v rámci oddělení, jejich procentuální rozdělení dle mobility a počet asistenčních pracovníků, dělení objektu do požárních úseků, umístění CHÚC a evakuačních výtahů v rámci podlaží, ale také například rozšíření požáru v rámci oddělení, v důsledku kterého dojde k odříznutí jedné z evakuačních cest. Přinášejí odpovědi a informace nad rámec běžného normového posouzení a jejich sestavení vychází z inženýrské zkušenosti samotného tvůrce modelu.

5. Závěr

Inženýrský přístup v rámci požárně bezpečnostního řešení staveb má uplatnění ve všech dílčích oblastech jako je modelování vývoje požáru, posuzování spolehlivosti konstrukcí, tak i při posuzování evakuace osob. Jak bylo ukázáno výše, je minimálně stejně efektivní a použitelný jako samotný normový přístup. Je možné analyzovat posuzovaný scénář v širším kontextu a v průběhu času nad rámec normového posouzení. Inženýrský přístup přináší nové možnosti komplexního posuzování atypických návrhů vymykajících se konvenčnímu přístupu.

V návaznosti a na rozvoj stavebnictví, nových technologických postupů a materiálové řešení staveb je logickým budoucím záměrem inovace v současnosti využívaných analytických metod požárně bezpečnostního posouzení a standardizace využití numerických modelů evakuace osob a šíření požáru u specifických staveb, jak do obsazenosti, rozlohy, tak i provozu.

Použité zdroje

1. XU, Mingbiao; PENG, Dehong. PyroSim-Based Numerical Simulation of Fire Safety and Evacuation Behaviour of College Buildings. Journal homepage: https://iieta.org/journals/ijsse, 2020, 10.2: 293-299.
2. ZHANG, Qiangjun, et al. Fire Safety Assessment of Epoxy Composites Reinforced by Carbon Fibre and Graphene. Applied Composite Materials, 2020, 27.5: 619-639.
3. WEISHEIM, Waldemar, et al. Numerical model for the fire protection performance and the design of intumescent coatings on structural steel exposed to natural fires. Journal of Structural Fire Engineering, 2019.
4. WĘGRZYŃSKI, W.; SULIK, Paweł. The philosophy of fire safety engineering in the shaping of civil engineering development. Bulletin of the polish academy of sciences. Technical sciences, 2016, 64.4.
5. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. 3^rd Edit. Quincy: National Fire Protection Association, 2002. ISBN 087765-451-4.
6. HURLEY, Morgan J.; ROSENBAUM, Eric R. Performance-based design. In: SFPE handbook of fire protection engineering. Springer, New York, NY, 2016. p. 1233–1261. New Zealand Building Code.
7. ISO TS 16733 Fire Safety Engineering – Selection of design fire scenarios and design fires.
8. INSTA 950 Fire Safety Engineering – Comparative method to verify fire safety design in buildings, Svieden.
9. Zákon č. 183/2006 Sb.: Zákon o územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon) ve znění pozdějších předpisů.
10. Zákon č. 500/2004 Sb., správní řád, ve znění pozdějších předpisů.
11. Vyhláška č. 23/2008 Sb.: Vyhláška o technických podmínkách požární ochrany staveb.
12. Vyhláška č. 246/2001 Sb.: Vyhláška Ministerstva vnitra o stanovení podmínek požární bezpečnosti a výkonu státního požárního dozoru (vyhláška o požární prevenci).
13. Zákon č. 133/1985 Sb.: Zákon České národní rady o požární ochraně.
14. POKORNÝ, Petr a Jiří JIŘÍ. Metodika pro specifické posouzení vysoce rizikových podmínek požární bezpečnosti s využitím postupů požárního inženýrství: Projekt – Specifické posouzení vysoce rizikových podmínek požární bezpečnosti s využitím postupů požárního inženýrství Kód projektu VG20122014074 [online]. Ostrava, 2014 [cit. 2018-08-09].
15. OKŘINOVÁ, Petra. Analýza bezpečnosti metra s využitím modelu evakuace osob a šíření požáru [online, IS FAST]. Brno, 2018 [cit. 2020-03-01]. Teze – Disertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. Vedoucí práce Tomáš Apeltauer.
16. ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty.
17. ČSN 73 0835 Požární bezpečnost staveb – Budovy zdravotnických zařízení.
18. ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společné požadavky.
19. ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty.
20. ČSN 73 0810 Požární bezpečnost staveb – Společné požadavky.
21. APELTAUER, Tomáš, Petr BENEŠ, Jiří APELTAUER a Petra OKŘINOVÁ. Metodika využití pokročilých modelů požáru a evakuace v požárně bezpečnostním řešení staveb: Projekt s názvem: Výzkum a vývoj ověřených modelů požáru a evakuace osob a jejich praktická aplikace při posuzování požární bezpečnosti staveb [online].