Ανάλυση της Φωτιάς

Εισαγωγή

Θα πρέπει να έχει γίνει αντιληπτό ότι πράγματι υπάρχουν μέθοδοι για τον υπολογισμό του μεγέθους και της ανάπτυξης μιας φωτιάς, Q(t) καθώς και για τον υπολογισμό των επιδράσεων των ζημιών που προκάλεσε λόγω της θερμότητος και του καπνού.
Επίσης θα πρέπει να διευκρινισθεί ότι αυτή η διαδικασία είναι πολύπλοκη και ότι έχουμε εξετάσει μόνο απλοποιημένες μεθόδους υπολογισμού. Ανεξάρτητα όμως μ' αυτό, είναι δυνατόν να αντιμετωπίσουμε ένα σενάριο πυρκαγιάς χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις μας με καλά αποτελέσματα και λογική ακρίβεια. Τα περισσότερα φαινόμενα πυρκαγιών έχουν ανασφάλειες λόγω συνθηκών που δεν είναι πλήρως γνωστές, (π.χ. την απόσταση ανοίγματος μιας πόρτας, την απόσταση μεταξύ δύο αντικειμένων). Ακόμη και όταν γνωρίζουμε αυτούς τους παράγοντες, οι υπολογισμοί μας δεν είναι απόλυτα σωστοί, κυμαινόμενοι σε ακρίβεια μέχρι και ±50%, αλλά συνήθως είναι πιο ακριβείς. Κατά προσέγγιση αναλύσεις μπορεί να φανούν χρήσιμες, ακόμη και με αυτούς τους περιορισμούς.
Σ' αυτό το κεφάλαιο εξετάζουμε πλευρές σχεδιασμού πυρασφάλειας και έρευνας πυρκαγιών. Κατά τον σχεδιασμό της πυρασφάλειας, η συγκεκριμένη φωτιά δεν είναι εμφανής, στη διερεύνηση πυρκαγιάς έχουμε κάποια υπόθεση ή απόδειξη της φωτιάς. Μια σημαντική πλευρά του σχεδιασμού είναι η προδιαγραφή των σχετικών σεναρίων φωτιάς και των πιθανοτήτων να εμφανισθούν. Στην έρευνα μπορεί να χρησιμοποιήσουμε υπολογισμούς για την πλήρη απαλοιφή ή υποστήριξη ορισμένων γεγονότων ή του χρόνου που συνέβησαν. Θα συζητήσουμε ορισμένα παραδείγματα και μοντέλα υπολογιστού, που συχνά παρατίθενται ως μεθοδολογία της ανάλυσης.

Σχεδιασμός Πυρασφάλειας

Ο σχεδιασμός της πυρασφάλειας χρησιμοποιείται κυρίως στην καθιέρωση συμμόρφωσης με τους τοπικούς κανονισμούς. Αυτοί οι κανονισμοί, βασιζόμενοι σε κώδικες και πρότυπα πρακτικής, προσδιορίζουν τις απαιτήσεις. Ο αρχιτέκτονας, ο μηχανικός ή ο ιδιοκτήτης κτιρίου πρέπει να εγγυηθούν την συμμόρφωση σ' αυτά. Το να κάνουν περισσότερα απ' όσα πρέπει δεν είναι πάντα το ζητούμενο, όμως, πολλές καταστάσεις δημιουργούνται όπου ο κανονισμός δεν είναι σαφώς εφαρμόσιμος ή ο σχεδιαστής επιθυμεί ένα αντίστοιχο εναλλακτό. Η εφαρμογή του εναλλακτού απαιτεί τουλάχιστον συζήτηση, αλλά περισσότερο απ' όλα, μια ανάλυση. Οι τύποι που συζητήσαμε για υπολογισμούς πυρκαγιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια τέτοια ανάλυση.
Πολλές όψεις υπόκεινται σε κανονισμούς και κατ' επέκταση επιδέχονται σχεδιαστικών δυνατοτήτων, συμπεριλαμβανομένων:
1. Ανίχνευσης και συναγερμού
2. Μετριασμού της ανάπτυξης και καταστολής
3. Εξόδου
4. Συνέχειας των επιχειρήσεων
5. Δομικής ακεραιότητας

6. Διαφυγής και διάσωσης
Δεν παρουσιάζουμε όλες αυτές τις όψεις στη συζήτηση μας για την συμπεριφορά της φωτιάς, αποτελούν όμως αντικείμενα μελέτης άλλων κειμένων.
Ίσως η πλέον σημαντική όψη του σχεδιασμού πυρασφάλειας είναι η αλληλεπίδραση του χρόνου ανάπτυξης της φωτιάς με το χρόνο εξόδου. Γενικά, επιδιώκουμε το χρόνο εξόδου να είναι μικρότερος από το χρόνο πρόκλησης ζημιών από τη φωτιά. Για όλα τα δυνατά σενάρια πυρκαγιών και τις πιθανότητες των, πρέπει να προσδιορίσουμε το χρόνο εξόδου του πλήθους του κτιρίου. Ο χρόνος εξόδου αυξάνει καθώς η φωτιά διευρύνεται και διότι ο καπνός επιβραδύνει τον κόσμο. Από την άλλη, ο χρόνος πρόκλησης ζημιάς από τη φωτιά είναι αντίστροφα ανάλογος με το μέγεθος της φωτιάς. Καθώς αναπτύσσεται η φωτιά, ο χρόνος για ζημιά μειούται. Οι ραντιστήρες, η καταστολή από τους πυροσβέστες και τα αντιπυρικά προφυλακτικά όλα επηρεάζουν το χρόνο ζημιάς. Μια ποιοτική απεικόνιση δείχνεται στο σχήμα 10-1. Παρατηρήστε ότι οι ραντιστήρες μπορεί να υπερνικηθούν και η καμπύλη της ζημιάς λόγω φωτιάς να ξαναγυρίσει προς τα. κάτω. Τα δύο παραδείγματα της ανάλυσης σχεδιασμού πυρασφάλειας έχουν αναπτυχθεί λόγω των διαφόρων περιστατικών πυρκαγιάς δεν έχουν αναπτυχθεί ως τμήμα της διαδικασίας σχεδίασης. Όμως, αυτά τα παραδείγματα παρουσιάζονται για να επιδειχθεί ότι μια τέτοια ανάλυση είναι εφαρμοστέα κατά τη φάση της σχεδίασης. Η ανάλυση ενός πραγματικού περιστατικού πυρκαϊάς δεικνύει στρατηγικές σχεδίασης οι οποίες θα μπορούσαν να αναπτυχθούν κατά τη φάση της ανέγερσης, παρά ταύτα το κτίριο μπορεί να είναι σύμφωνο με τους κανονισμούς μετά την ολοκλήρωση κατασκευής του. Τέτοιες αναλύσεις μπορούν να παρέχουν οικονομικές βελτιώσεις της ασφάλειας ή αντιστοιχία προς τους κανονισμούς.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Παράδειγμα 1

Επίδραση των αεραγωγών φρεατίων σε πυρκαγιά κτιρίου

Το πρώτο παράδειγμα υπολογίσθηκε από τον TAKEYOSHI ΤΑΝΑΚΑ, έναν επιστήμονα του Ιαπωνικού Ινστιτούτου Έρευνας Κτιρίων, χρησιμοποιώντας τον κώδικα του υπολογιστή του που είναι σχεδιασμένος για τον υπολογισμό της μεταφοράς καπνού και τις ιδιότητες του εντός του κτιρίου. Τα αποτελέσματα των υπολογιστών του δείχνονται στο σχήμα 10-2. Δύο συνθήκες αεραγωγών φρεατίων εξετάζονται και οδηγούν σε ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα για την κίνηση του καπνού και τη θερμοκρασία του. Αυτοί οι υπολογισμοί άρχισαν αμέσως μετά την πυρκαγιά της M.G.M. τον Νοέμβριο του 1980 στο LAS VEGAS. Εκείνη την εποχή οι υπολογιστές δεν μπορούν να υπολογίσουν εύκολα ή γρήγορα το κτίριο της M.G.M. που είχε 65 ορόφους. 'Έτσι αυτοί οι υπολογισμοί έγιναν για κτίριο μέχρι πέντε (5) ορόφους. Η εξαγωγή συμπερασμάτων δεν χρησιμοποιήθηκε ποτέ για την ανάλυση εκείνης της φωτιάς ή για την εκμετάλλευση των στοιχείων των συνεπειών της. Τα περισσότερα άτομα πέθαναν (85) στα επάνω πατώματα του κτιρίου της MGM καθώς ο καπνός κινήθηκε προς τα πάνω από τα κάθετα φρεάτια. Οι υπολογισμοί του σχήματος 10-2 δείχνουν ότι η περίπτωση της ύπαρξης αεραγωγού στο κεντρικό φρεάτιο δεν επηρεάζει την θερμοκρασία του καπνού πάρα πολύ, όμως επιδρά στο βάθος του καπνού στον τρίτο όροφο. Περισσότεροι υπολογισμοί πιθανόν να παρείχαν περισσότερο ολοκληρωμένα στοιχεία επ' ωφελεία των αεραγωγών των φρεατίων.

 

Παράδειγμα 2

Κίνηση του καπνού στο Παγκόσμιο Κέντρο Εμπορίου της Νέας Υόρκης. Μια άλλη πυρκαγιά υψηλού κτιρίου που έκανε μεγάλη εντύπωση, ήτο αυτή στο κτίριο του εμπορικού κέντρου της Νέας Υόρκης τον Απρίλιο του 1993. Ο κώδικας του Υπολογιστή που δείχθηκε στο σχήμα 10-2 έχει από τότε ενημερωθεί (BRI ΙΙ)και έχει χρησιμοποιηθεί για την ίδρυση ισοδυνάμων εναλλακτικών σχεδίασης σε πολλές Ιαπωνικές κατασκευές κτιρίων. Οι Υπολογιστές σήμερα έχουν περισσότερες δυνατότητες και το σύνολο των 110 ορόφων έχει συμπεριληφθεί στους υπολογισμούς. Αυτοί οι υπολογισμοί έχουν γίνει από τον YAMAGUCHI για την ανάλυση του σεναρίου πυρκαγιάς του ανωτέρω εμπορικού κέντρου. Ένα απόσπασμα δείχνεται στο σχήμα 10-3. Μια φωτιά 20 MW για χρόνο 25 λεπτών επιλέχθηκε για την προσομοίωση της φωτιάς του γκαράζ (το σκιασμένο μαύρο τμήμα στο σχήμα 10-3). Τα αποσπάσματα δείχνουν την ροή του καπνού (μαύρα βέλη για ανυψωμένες ροές στρώματος καπνού, άσπρα βέλη για χαμηλότερες ροές στρώματος καπνού) σε 13 λεπτά.
Δεν υπήρξαν άμεσοι θάνατοι από την πλήρωση με καπνό του υψηλού κτιρίου, πιθανόν λόγω της διάρκειας της φωτιάς και των συνθηκών εξαερισμού. Τέτοιοι υπολογισμοί δεν μπορούν μόνο να υπολογίσουν τις συνθήκες καπνού σε ένα τέτοιο επεισόδιο, αλλά θα μπορούσαν να είναι χρήσιμοι στην εκτίμηση του κινδύνου και άλλων σεναρίων πυρκαϊάς. Σχεδιαστικές στρατηγικές, που πιθανόν να έκαναν το κτίριο ασφαλέστερο, μπορούν να αξιολογηθούν στον Υπολογιστή.
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Κώδικες Απόδοσης
Σήμερα, γίνεται πολύ θόρυβος (συζήτηση) περί των κωδίκων απόδοσης πυρασφάλειας σε αντιδιαστολή με τους ρυθμιστικούς κώδικες. Κατά βάση αυτό σημαίνει τη χρήση υπολογιστικής ανάλυσης για καθορισμένες προδιαγραφές των κανονισμών. Αυτή η διαδικασία είναι υπό εξέλιξη και δεν έχει αναπτυχθεί ακόμη καμία στη καθορισμένη μεθοδολογία. Επειδή οι υπολογισμοί πυρκαγιών απαιτούν κάποια εμπειρία, οι κώδικες απόδοσης, δεν θα χρησιμοποιηθούν ακόμη μέχρι η γνώση εκτιμηθεί και διασταυρωθεί σε όλα τα επίπεδα της διαδικασίας. Μέχρι αυτή η εμπειρία να γίνει περιεκτική (ευρεία) καθ' όλη την πρακτική εφαρμογής της, ο σχεδιασμός της πυρασφάλειας θα συνεχίζει να παρουσιάζει θέματα ισοδυναμίας. Η αλλαγή σχεδίασης της πυρασφάλειας από τους κανονισμούς στους Υπολογιστές είναι τεχνολογικά δυνατή αλλά πιθανόν να μην είναι πρακτικά εφαρμόσιμη. Μια τέτοια τεχνολογία πρέπει να προχωράει συγχρόνως με την αναγκαία έρευνα, ώστε να συμπληρώσει τη βάση γνώσεων και τα κενά των Υπολογιστών.

Παραδείγματα Διερευνήσεων Πυρκαγιών
Δικαστικοί αγώνες έχουν επιβάλει τη χρήση Υπολογιστών και ανάλυσης των πυρκαγιών στο πεδίο της διερεύνησης αυτών. Όπως και στις εφαρμογές σχεδίασης, δεν υπάρχει απλή προσέγγιση χωρίς επαρκή γνώση της συμπεριφοράς της φωτιάς. Καίτοι η προσομοίωση με Υπολογιστές μπορεί να είναι χρήσιμη, η αποκτηθείσα γνώση απ' αυτό το βιβλίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη προτεινόμενων σεναρίων σε μια διερεύνηση πυρκαγιάς. Σε αντίθεση με τη σχεδίαση, αυτή η διαδικασία δεν θεωρείται μη ολοκληρωμένη. Όταν υπάρχει μια συγκεκριμένη φωτιά, θα κάνει μια συγκεκριμένη ζημιά. Αυτά τα γεγονότα πρέπει να καθιερωθούν μέσω αποδείξεων, αναφορές μαρτύρων και ανάλυσης. Ας εξετάσουμε ορισμένα συγκεκριμένα παραδείγματα που δείχνουν την διαδικασία της ανάλυσης.
 

 

Παραδειγμα 3

Επίδραση των αεραγωγών φρεατίων σε πυρκαγιά κτιρίου

Η περίπτωση της φωτιάς στον κάδο των άπλυτων ρούχων. Τον Μάιο 1993, η δολοφονία του JOHN MARTORANO οδήγησε στην καταδίκη της συζύγου του με μια πρόσθετη καταδίκη για εμπρησμό. Μια συνωμοσία εξυφάνθη από την DONNA MARTORANO και τον JIMMIE LEE MCWHIRTER να βάλουν φωτιά στο σπίτι της όταν η οικογένεια έλειπε στη FLORIDA. Διάφορα άρθρα γράφτηκαν σε εφημερίδες που περιέγραφαν λεπτομερώς όλο το ιστορικό της υπόθεσης. Οι τίτλοι στις διάφορες εφημερίδες ήσαν: Εμπρησμός, περίπτώση απάτης πηγαίνει στα δικαστήρια. Ένοχος η σύζυγος για μίσθωση δολοφόνου. Η υπεράσπιση ζητά ισόβια καταδίκη.
Μια εκδοχή σ' αυτή την περίπτωση ήτο η φωτιά στον κάδο των άπλυτων ρούχων να έσπαζε τον χάλκινο σωλήνα νερού και να έσβηνε έτσι η φωτιά. Τα αποδεικτικά στοιχεία έδειξαν ότι η φωτιά είχε τοποθετηθεί με πρόθεση μεταξύ του θερμαντήρα του νερού και του κλιβάνου στο δωμάτιο πλυντηρίου της κατοικίας. Μια υπερυψωμένη χάλκινη σωλήνωση νερού έσπασε σε γωνιακή
 

της άρθρωση μετά από τήξη λόγω θερμότητας. Οι υδραυλικές κολλήσεις συνήθως λιώνουν μεταξύ 250 έως 300 °C το μέγιστο. Για να φθάσει σ' αυτή την θερμοκρασία, το άκρο της φλόγας της φωτιάς πρέπει να φθάσει στο χάλκινο σωλήνα, όπως φαίνεται στο σχήμα 7-10. Η πηγή ανάφλεξης πρέπει να είναι τουλάχιστον ικανή να αναπτύξει τέτοια θερμοκρασία σ' αυτό το ύψος. Πέραν τούτου, για να καεί η κολλημένη συνδεσμολογία σε μια σωλήνωση γεμάτη με νερό πρέπει η σωλήνωση να είναι πλήρως καλυμμένη (περιτριγυρισμένη) από τη φλόγα για να μεγιστοποιηθεί η μετάδοση θερμότητας στην κολλημένη συνδεσμολογία. Το σχήμα 10-4 δεικνύει το συγκεκριμένο σενάριο. Μια κανονική (συνήθης) φωτιά σε καλάθι άπλυτων ρούχων θα είχε μέγεθος όσο ένα μεγάλο καλάθι άχρηστων που καίγεται και από τον πίνακα 6-4 έχουμε 10 g/s σε μια κατά προσέγγιση θερμότητα καύσης 20 KJ/g (θεωρώντας ότι υπάρχουν πλαστικά και βαμβακερά ρούχα). Αυτό μας δίδει:
Q = (10 g/s)(20 KJ/g) = 200 KW
Από την εξίσωση 7-9 υπολογίζουμε το υψος της φλόγας ως
Lf = 0,23Q2/S-1,02 D

= 0,23 (200 KW)2/5 -1,02(0,7 m) = 1,2 m (μέτρα)
όπου θεωρήσαμε μια διάμετρο 0,7 μέτρα. Αυτή η φλόγα του 1,2 μέτρων ύψους, αντιπροσωπεύει πιθανόν το άνω όριο μιας φωτιάς σε καλάθι άπλυτων ρούχων. Αλλ' όμως βλέπουμε ότι οι φλόγες δεν φθάνουν τη σωλήνωση που είναι στο ταβάνι (α). Από την άλλη όμως, εάν προστεθεί κάποιο επιταγχυντικό στο καλάθι, π.χ. βενζίνη, τότε σύμφωνα με τα διαλαμβανόμενα στο Κεφάλαιο 6:
Q = (55 g/m2 = s) fj (0,7m)2 W 7 KJ/g) για τη βενζίνη
ή
Q = 925 KW
και
Lf =0,23 (925)2/S-1,02(0,7)
ή
Lf = 2,82 μέτρα
Αυτή η φλόγα θα έφτανε μέχρι το ταβάνι και εύκολα θα τύλιγε τη χάλκινη συνδεσμολογία της σωλήνωσης. Οι θερμοκρασίες της θα ήσαν ικανές να λιώσουν την κόλληση (β).
Θα πρέπει να διευκρινισθεί ότι απ' αυτό το παράδειγμα έπρεπε να γίνουν ορισμένες επιλογές για τη φύση και το μέγεθος αυτών των φωτιών. Οι προϋποθέσεις θα μπορούσαν να ήσαν διαφορετικές, όμως τα αποτελέσματα δεν θα άλλαζαν εύκολα. Ένα σύνηθες καλάθι άπλυτων ρούχων ακόμη και αν κάποιος κατά λάθος το πυροδοτήσει, μάλλον δεν θα είναι ικανό να λιώσει την κόλληση σωλήνος. Ακόμη και χωρίς την άμεση ύπαρξη επιταχυντικών, μια τέτοια ανάλυση θα έδειχνε έντονα την παρουσία του (του επιταχυντή).
Το προηγούμενο παράδειγμα παρουσιάσθηκε σε μια εκπαιδευτική σειρά διερευνητών πυρκαγιών, του Γραφείου Οινοπνεύματος, Καπνού και Οπλων των Η.Π.Α. Ο πράκτορας William Petraitis έθεσε προς συζήτηση το πρόβλημα μετά από δοκιμές που έκανε, μαζί με έναν τοπικό ερευνητή πυρκαγιών τον Thomas Hitchings, σε καλάθι άπλυτων ρούχων με και χωρίς επιταχυντές φωτιάς. Αναζητούσαν αποκαλυπτικές ενδείξεις φωτιάς που πιθανόν συνέβαιναν. Το ύψος της φλόγας είναι, για την συγκεκριμένη περίπτωση, ο βασικός μηνυτής. Το παράδειγμα αποδείχθηκε χρήσιμο στην επίδειξη της εφαρμογής της επιστήμης για μια πραγματική κατάσταση.