Z nauką na ulicę

Kategoria: Ratownictwo i ochrona ludności

Badania pożarów w obiektach mieszkalnych mają kluczowe znaczenie dla ograniczenia zagrożeń, a także ochrony życia zarówno ich mieszkańców, jak i strażaków prowadzących działania gaśnicze.

Liderem badań w dziedzinie bezpieczeństwa pożarowego od dawna jest amerykański Instytut Badań nad Bezpieczeństwem Strażaków (UL Firefighter Safety Research Institute). Wiele eksperymentów zostało poświęconych wzbogacaniu wiedzy na temat pożaru we współczesnej przestrzeni mieszkalnej oraz zapewnieniu strażakom danych niezbędnych do modyfikacji taktyki.

W latach 2001-2011 w Stanach Zjednoczonych wskutek obrażeń odniesionych w związku ze służbą zginęło 1160 strażaków [1]. I chociaż roczna liczba zdarzeń śmiertelnych w ostatnich latach zmalała, to przypadki śmierci strażaków w pożarach obiektów zdarzają się częściej niż w latach 70. i 80, mimo spadku ogólnej liczby pożarów [2]. Trudno nie łączyć tych danych ze zmianami w technologii konstruowania obiektów, materiałach budowlanych, projektach domów i surowcach wykorzystywanych do budowy mebli – niosą one nowe zagrożenia w warunkach pożarowych. Wprawdzie pożary zawsze będą się wiązały z ryzykiem utraty życia, jednak badania UL stanowią istotny wkład w zredukowanie zagrożeń.

Poniżej omówione zostały niektóre z już zrealizowanych i wciąż trwających projektów badawczych związanych z bezpieczeństwem pożarowym.

Stabilność konstrukcyjna drewna budowlanego w warunkach pożaru

z nauka na ulice 02Lekkie konstrukcje kratownicowe i prefabrykaty z drewna wypierają konwencjonalne, solidne konstrukcje z legarów w podłogach i dachach obiektów mieszkalnych. Dane na temat wpływu tych  materiałów na bezpieczeństwo strażaków były jednak niewystarczające. We współpracy z Departamentem Straży w Chicago (Chicago Fire Department – CFD), Uniwersytetem Stanu Michigan oraz Międzynarodowym Stowarzyszeniem Komendantów Straży Pożarnych (International Association of Fire Chiefs) specjaliści UL porównali zachowanie w warunkach pożaru solidnych legarów drewnianych z tymi o lżejszej konstrukcji. Badanie dowiodło, że wytrzymałość pożarowa konstrukcji wspartej na solidnych legarach była znacznie większa aniżeli konstrukcji wspartej na dwuteowniku z drewna konstrukcyjnego.

Ekspozycja strażaków na cząsteczki w dymie

W tych badaniach UL podjął współpracę z CFD i Uniwersyteckim Kolegium Medycyny w Cincinnati (University of Cincinnati College of Medicine – UCCM). Celem było zebranie danych na temat wpływu na zdrowie ratowników dymu i gazowych produktów lotnych, na które są narażeni podczas działań ratowniczo-gaśniczych oraz przy kontakcie z zanieczyszczonymi środkami ochrony indywidualnej,. Projekt polegał na zbadaniu pożarów w trzech różnych skalach:

  1. pożarów w obszarze metropolii Chicago,
  2. pożarów wyposażenia pokoju mieszkalnego oraz samochodu osobowego,
  3. testów z próbkami materiałów.

Badania wykazały, że płonące materiały wytwarzają substancje duszące, drażniące i kancerogenne. Owe uboczne produkty spalania znajdują się również w dymie na etapie gaszenia i dogaszania, a kancerogeny można wdychać z powietrza lub przedostają się one do organizmu przez skórę, podczas kontaktu z zanieczyszczonym wyposażeniem.

Pozwoliły one także na dokonanie innych kluczowych ustaleń:

Bezpieczeństwo strażaka a systemy fotowoltaiczne

Systemy paneli fotowoltaicznych (PV) wykorzystywanych do wytwarzania energii słonecznej stwarzają wyjątkowe zagrożenie pożarowe i ryzyko porażenia, jednak stan wiedzy strażaków na ten temat był niewielki. UL przeprowadził testy paneli fotowoltaicznych w swoich laboratoriach w Northbrook (Illinois) oraz w Ośrodku Szkolenia Służb Ratowniczych Hrabstwa Delaware (DCESTC). Ich celem było określenie zagrożeń ze strony takich instalacji w  różnych scenariuszach pożarów. W testach zbadane zostały także zagrożenia związane z podawaniem wody na panele PV podczas działań gaśniczych oraz skuteczne metody rozładowywania napięcia. Badania te stworzyły podstawę do rozwoju współczesnych metod postępowania operacyjnego w przypadku takich działań.

Pożary piwnic a stabilność konstrukcyjnych systemów podłogowych

z nauka na ulice 01Celem tych badań było zbadanie reakcji systemów podłogowych w obiektach mieszkalnych na pożary powstające w pomieszczeniach piwnicznych. Komponenty współczesnych systemów podłogowych oraz materiały pokryć podłogowych projektowane są tak, aby ograniczyć przepływ energii cieplnej. W rezultacie materiały od spodu podłogi (tj. od strony piwnicy) mogą ulegać spalaniu, a na jej wierzchu zauważymy jedynie nieznaczny wzrost temperatury. Badania przyniosły wiele wniosków taktycznych, które strażacy powinni rozważyć podczas podejmowania decyzji przy tego typu pożarach:

Wpływ wentylacji poziomej (horyzontalnej)

W tych badaniach naukowcy przetestowali praktyki wentylacyjne stosowane przez strażaków oraz wpływ zmian w sposobie projektowania nowoczesnych domów na wentylację pożarową.

Przeprowadzono w sumie 15 eksperymentów w dwóch domach skonstruowanych specjalnie do tych badań, przy zmiennej liczbie i lokalizacji otworów wentylacyjnych. Badania te pokazały ogromne znaczenie koordynacji wzmożonej wentylacji pożaru z podaniem wody lub innego rodzaju środka gaśniczego dla skuteczności działań gaśniczych. Potwierdziły też, że zwykłe zamknięcie drzwi pomiędzy strażakiem a pożarem może zapewnić temperaturę i stężenie tlenu gwarantujące przeżycie.

Z badań tych płyną warte rozważenia wnioski taktyczne:

Wpływ wentylacji pionowej

Na podstawie badań wentylacji poziomej UL zbadał wpływ na rozwój i zachowanie się pożarów w budynkach mieszkalnych wentylacji pionowej (tj. przez dach). Dwuletni projekt badawczy dostarczył empiryczne dane na temat wpływu różnych lokalizacji otworów wentylacyjnych i ich wielkości na pożar. Kwestia prowadzenia wentylacji pionowej jest szczególnie ważna, bo wymaga przebywania ponad pożarem i może szybko wpłynąć na wewnętrzne warunki pożarowe. Badano stare i nowe budynki mieszkalne, a dane z eksperymentów zostały rozpowszechnione wśród strażaków w celach edukacyjnych i doradczych. Pomagają one lepiej zrozumieć zależności pomiędzy wentylacją a działaniami gaśniczymi, pozwalając na zwiększenie bezpieczeństwa działań.  W obiektach mieszkalnych na przestrzeni kilku ostatnich dekad obserwujemy stabilny trend:  powstają większe domy z otwartymi przestrzeniami  i wyposażeniem z materiałów syntetycznych.

Instytut przeprowadził serię 17 pożarów w obiektach mieszkalnych w pełnej skali. Celem badań było zbadanie wpływu zmian w budownictwie oraz strażackich praktyk z zakresu wentylacji i działań gaśniczych na dynamikę rozwoju pożaru.  Pakiety paliwowe pozyskane do eksperymentu były w stanie wytworzyć pożar o mocy około 9-10 MW, co wystarczyło do powstania niedoboru wentylacji. Sypialnia i salon miały ładunek paliwa od 2do 4 funtów na stopę kwadratową (9,68-19,36 kg/m2), a kuchnie między 4-5 lb/ft2 (19,36-24,2 kg/m2). Można to uznać za wartości niskie w porównaniu z warunkami rzeczywistymi (na ogół pomieszczenia te mają więcej wyposażenia). Mimo to udało się osiągnąć warunki niedoboru wentylacji, a większe obciążenie ogniowe wydłużyłoby jedynie czas trwania pożaru. Ponadto szybkość wydzielania się ciepła i całkowite ciepło wydzielone z pakietu paliwowego w salonie mieści się w granicach 10% różnicy względem wartości dla pakietów paliwowych wykorzystanych w badaniach nad wentylacją poziomą. Eksperymenty można zatem porównywać dla różnych scenariuszy wentylacji poziomej i pionowej.

Podwojenie objętości pomieszczenia objętego pożarem poprzez podwyższenie sufitu przy zachowaniu tych samych warunków wentylacji nie wydłuża znacznie czasu do wystąpienia rozgorzenia z powodu nagłego przyrostu szybkości wydzielania się ciepła przed samym rozgorzeniem. W każdym eksperymencie stadium rozgorzenia w pomieszczeniu następowało po 5 min – 5 min 30 s od zainicjowania spalania.

Ograniczenie dostępu powietrza do pożaru okazało się ważnym czynnikiem w przypadku pożarów z niedoborem wentylacji.  Eksperymenty, w których najpierw drzwi były otwarte, a następnie zamykano je na szerokość odcinka linii wężowej, pokazały, że takie postępowanie powoduje spowolnienie rozwoju pożaru – wewnętrzna temperatura była  niższa, a stężenia gazów korzystniejsze niż przy całkowicie otwartych drzwiach. Czyniło to pożar łatwiejszym do ugaszenia.

Żaden z wykorzystywanych w eksperymentach otworów wentylacyjnych (1,2 m x 1,2 m lub 1,2 m x 2,4 m) nie spowodował spowolnienia rozwoju pożaru. Przyczynił się natomiast do szybszego wystąpienia rozgorzenia i pożaru w pełni rozwiniętego. Po podaniu wody na ognisko pożaru zaobserwowano jednak prawidłowość:  im większy był otwór wentylacyjny i im bliżej ogniska pożaru się znajdował, tym więcej wydostawało się przez niego produktów spalania,  co przyczyniało się do obniżenia temperatury i poprawy widoczności.

Wentylacja nad pożarem to najlepszy wybór, jeśli natarcie jest skoordynowane. Jeśli do pożaru z niedoborem wentylacji doprowadzimy powietrze, powiększy on swoje rozmiary. Ponadto trzeba pamiętać, że im bliżej ogniska pożaru znajduje się źródło powietrza, tym szybszy przyrost rozmiarów pożaru. Jeśli wentylacja skoordynowana jest z natarciem (linia wężowa odbiera więcej energii niż wytwarza pożar), to nie ma znaczenia, gdzie wykonamy otwór. Jednak jeśli znajduje się on bliżej ogniska pożaru, szybciej usunie ciepło i dym, co poprawi warunki w pozostałej fazie działań.

Wentylacja w punkcie oddalonym od ognia będzie skuteczna w pewnych okolicznościach. Jeśli mamy pożar w pomieszczeniu połączonym z resztą domu drzwiami, wentylacja dachu poza pomieszczeniem objętym pożarem może pozwolić na usunięcie dymu z pozostałych obszarów domu. Jednakże w miarę zasysania powietrza do pomieszczenia pożar będzie przyrastał, przy możliwej poprawie widoczności na ścieżce przemieszczania się świeżego powietrza od wlotu do pomieszczenia objętego pożarem. Pożar nie przyrasta w sposób niekontrolowany, bo utrzymują go w ryzach drzwi wewnętrzne. Kiedy zapali się paliwo na zewnątrz tych drzwi (np. pożar sypialni rozprzestrzeni się na wyposażenie salonu), szybkość wydzielania się ciepła może wzrosnąć bardzo dynamicznie i przezwyciężyć chwilową korzyść, którą daje oddalony otwór. Zatem wentylacja pionowa w oddaleniu od pożaru może poprawiać widoczność, ale i pożar, i temperatura w jego otoczeniu rosną.

Dla zrozumienia dynamiki pożaru oraz wpływu taktyki działań strażaków ważne są zagadnienia toru przepływu i zgrania czasowego. Im bliżej powietrze doprowadzane jest do ogniska pożaru, tym szybciej wzrasta intensywność żywiołu. Wiele eksperymentów wykazało, że zewnętrzne oznaki ognia nie oznaczają wystąpienia dostatecznej wentylacji – są znakiem, że wentylacja cały czas trwa, a pożar nadal charakteryzowany jest jej niedoborem. W każdym z eksperymentów spalanie miało miejsce nie w obiekcie, a poza oknem lub poza otworem wentylacyjnym w dachu, w środku nie było bowiem powietrza niezbędnego do procesu spalania. Nie można wnioskować o skuteczności wentylacji bez uwzględnia czynnika czasu i zrozumienia, że im dłużej musi wędrować świeże powietrze, tym wolniej pożar na nie zareaguje. Jednakże im większy tor przepływu, w którym mogą znaleźć się strażacy (trasa od miejsca dostępu świeżego powietrza do ogniska pożaru do miejsca, w którym następuje wylot w kierunku obszaru niskiego ciśnienia za strażakami), tym większa szansa na to, że nagła zmiana może skutkować negatywnym rezultatem.

Zmiany w charakterystyce materiałów wyposażenia wnętrz (popularność syntetyków) przyczyniły się do wzrostu  szybkości wydzielania się ciepła podczas pożaru. To  przyspiesza fazy rozwoju pożaru i zwiększa ryzyko zaistnienia warunków niedoboru wentylacji przed przybyciem strażaków. W przeprowadzonych eksperymentach wystarczyło 5 min, aby w domu jednopiętrowym pożar współczesnych paliw spowodował warunki niedoboru wentylacji, w domu dwupiętrowym było to około 18 min. W takich warunkach rozwoju pożaru taktyka wentylacji nabiera szczególnego znaczenia. Co ważne, czas między wentylacją a rozgorzeniem wynosi dziś 2 min, przed laty było to ponad 8 min. Dawniejsze pożary można opisać jako łagodnie reagujące na wentylację, więc strażacy mieli czas, aby  nadrobić źle zgraną technikę wentylacji lub nieskoordynowane natarcie. Obecnie czas na naprawę błędu to około 2 min. Warunki do przeżycia w pomieszczeniu z ogniskiem pożaru w momencie przyjazdu strażaków na miejsce zdarzenia nie występowały w żadnym z eksperymentów. Wyjątek stanowił  eksperyment sprzed lat w domu jednopiętrowym. Najbardziej prawdopodobnym miejscem odnalezienia osoby mającej szanse na uratowanie jest obszar za zamkniętymi drzwiami. W każdym eksperymencie występowała jedna zamknięta sypialnia w sąsiedztwie otwartej sypialni. W zamkniętym pokoju poszkodowany  miał warunki do przeżycia i mógł normalnie funkcjonować przez cały czas trwania eksperymentu, a nawet długo po przyjeździe strażaków. W otwartej sypialni sytuacja byłaby zupełnie inna. Większość poszkodowanych byłaby już nieprzytomna, jeśli w ogóle przeżyłaby, zanim straż pojawiłaby się na miejscu zdarzenia. Średni czas utrzymywania się warunków do przeżycia w otwartej sypialni wynosił 7 min 30 s, a w zamkniętej sypialni niebezpieczna temperatura i stężenia tlenku węgla nie pojawiły się nawet po pewnym czasie od przybycia strażaków na miejsce zdarzenia (brano pod uwagę średnie statystyczne czasy dojazdu).

W każdym z eksperymentów podawano wodę z zewnątrz (przez drzwi lub okno) przez około 15 s, w łącznej ilości około 25 galonów (95 l). Porównując temperaturę bezpośrednio przed podaniem wody do temperatury, która panowała w minutę po zaprzestaniu jej podawania stwierdzono średni spadek temperatur na poziomie 40% w pomieszczeniach objętych pożarem i 22% w pomieszczeniach sąsiednich. Niemal w każdym eksperymencie po podaniu wody poprawiały się warunki przeżycia w całym obiekcie, nawet w miejscach znajdujących się na drodze wypływu gazów pożarowych. Dane z badania wykazały potencjalne korzyści z tzw. zmiękczenia celu, czyli podania wody z zewnątrz przed  wejściem do obiektu, brak możliwości przepchnięcia pożaru (jako że w żadnym przypadku nie został on rozprzestrzeniony z jednego pomieszczenia na drugie przy użyciu linii gaśniczej), a także korzyści płynące z podania wody na ognisko pożaru w dużych otwartych przestrzeniach.

Eksperymenty na wyspie Governors

UL we współpracy z NIST (National Institute of Standards and Technology – Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii), FDNY (Fire Department of the City of New York – Departament Straży Nowego Jorku) oraz Korporacją Ochrony i Edukacji Wyspy Governors (Governors Island Preservation and Education Corporation – GIPEC) przygotował i przeprowadził  na wyspie Governors w Nowy Jorku serię eksperymentalnych pożarów testowych, odzwierciedlających warunki panujące we współczesnych domach. Testy miały na celu zweryfikowanie i opisanie za pomocą danych liczbowych teorii na temat tego, jak zmieniły się dzisiaj pożary, głównie za sprawą nowych sposobów budowania obiektów oraz zmiany składu materiałów stosowanych do produkcji mebli i innych przedmiotów – niegdyś tworzonych z materiałów naturalnych, jak drewno czy wełna, a dziś zawierających duże ilości produktów wytwarzanych z nafty oraz syntetyków, spalających się szybciej i wydzielających więcej ciepła. W 20 eksperymentach pożarów piwnic, pożarów na parterze oraz na dwóch kolejnych piętrach w domach miejskich zostały poddane analizie wentylacja i techniki gaśnicze.

Rozprzestrzenianie się pożarów na zewnątrz oraz pożary poddaszy (projekt trwający)

Administracja Pożarnicza Stanów Zjednoczonych (USFA) szacuje, że corocznie do straży pożarnych zgłaszanych jest 10 tys. przypadków pożarów poddaszy w budynkach mieszkalnych, powodujących średnio 30 ofiar śmiertelnych, 125 osób rannych oraz 477 mln dolarów strat. Pożary te stanowią dla strażaków spore wyzwanie. Celem tego dwuletniego (bieżącego) projektu badawczego jest zdobycie wiedzy na temat dynamiki pożarów poddaszy, rozprzestrzeniania się ognia po elewacji, wpływu skoordynowanych działań gaśniczych na rozwój żywiołu, a także zbadanie zagrożeń dla strażaków, wynikających ze zmieniających się praktyk budowlanych oraz współczesnego środowiska pożaru w obiektach mieszkalnych.  Testy gaśnicze zostaną przeprowadzone w realnej skali w realistycznych obiektach mieszkalnych. 

Wentylacja nadciśnieniowa  (projekt trwający)

Celem tych badań jest zwiększenie bezpieczeństwa strażaków poprzez zapewnienie sprawdzonych naukowych informacji na temat działania wentylatorów do wentylacji nadciśnieniowej podczas natarcia na pożar. Dane zostaną pozyskane z testów pożarowych przeprowadzonych w realnej skali w reprezentatywnych współczesnych domach jednorodzinnych.  Zmiany w budownictwie i wyposażeniu wnętrz na przestrzeni ostatnich 30 lat przyczyniły się do zmiany dynamiki pożarów w obiektach mieszkalnych, zwiększając naszą niewiedzę o wpływie wentylacji na zachowanie się pożaru. Wentylatory do wentylacji nadciśnieniowej zostały wprowadzone jako technologia mająca zwiększyć bezpieczeństwo strażaków poprzez kontrolowanie wentylacji.

Jednakże nie są dostępne odpowiednie naukowe dane, aby wentylacja nadciśnieniowa była używana bez potęgowania zagrożeń dla strażaków.

***

Jak dowodzą przytoczone badania, Underwriters Laboratories wnosi duży wkład w zrozumienie charakterystyki współczesnych pożarów wewnętrznych. Dostarcza strażom pożarnym istotnych taktycznych wskazówek mogących redukować zagrożenia i zwiększać bezpieczeństwo strażaków.
Pełne raporty na temat zakończonych badań oraz niektóre moduły szkoleniowe poświęcone ich wynikom dostępne są na stronie Instytutu Badań nad Bezpieczeństwem Strażaków UL pod adresem www.ulfirefightersafety.com.

Przypisy

Stephen Kerber

Fot. archiwum autora