Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Využití metod požárního inženýrství ke zvýšení bezpečnosti kulturních památek

Ing. Jiří Pokorný, Ph.D., MPA, VŠB – TU Ostrava, Katedra bezpečnostního inženýrství

Recenzovaný

Příspěvek popisuje možnosti využití požárně inženýrských metod při zajištění bezpečnosti kulturních památek. Charakter kulturních památek a snaha o zachování jejich historické hodnoty, bývá příčinou vzniku konfliktních situací při jejich hodnocení z hlediska požární bezpečnosti. Na případové studii obrazárny jsou demonstrovány některé z možností modelů požáru, které jsou jedním z možných nástrojů při použití řešení odchylných od standardů. Využití požárně inženýrských metod je komentováno rovněž s vazbou na subjekty obvykle participující při požárně inženýrských aplikacích.

Úvod

Obr. 1 Příčiny preventivních aktivit ochrany kulturních památek a možné řešení [1]

Ochrana kulturních památek proti negativním následkům požárů je ve světě již dlouhodobě diskutována a jednotlivé země se snaží nalézt svou vlastní cestu pro zajištění jejich bezpečnosti.

Příčiny popisovaných aktivit a možné řešení jsou znázorněny na obr. 1.

Na obr. 2 je znázorněna původní stavba kostela svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové (stavba byla postavena přibližně ve 14. století), který zcela vyhořel v roce 2002. Replika kostela byla dokončena v roce 2004. Ačkoli se jedná o repliku velmi zdařilou, z hlediska historické hodnoty se však již nejedná o původní stavbu, jde „pouze o repliku“, a tedy absolutní ztrátu kulturní památky.

Obr. 2a Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

Obr. 2b Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

Obr. 2c Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

Obr. 2d Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

Obr. 2e Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

Obr. 2f Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

Obr. 2 Kostel svaté Kateřiny v Ostravě-Hrabové [1]

V posledních letech se snahami o ochranu kulturních památek intenzivně zabývá také Česká republika. Důkazem popisovaných aktivit je úzká spolupráce Hasičského záchranného sboru České republiky s Národním památkovým ústavem, který zajišťuje úkoly státní památkové péče a stará se o více než 100 památkových objektů. [2]

Důvodem je skutečnost, že kulturní památky mohou být z hlediska svého dispozičního, materiálového, konstrukčního nebo provozního charakteru významně odlišné od staveb, se kterými se obvykle setkáváme. Navíc, právě vzhledem k jejich historickému významu, jsou úpravy často problematické, někdy až nereálné. Uplatnění stávajících bezpečnostních standardů, tedy také požadavků projekčních norem požární bezpečnosti staveb, může v konečném důsledku vést ke stavbám sice kvalitativně bezpečnějším, ovšem s mizivou historickou hodnotou. Takový výsledek je pochopitelně nežádoucí.

Zde se nachází vhodná příležitost pro využití požárně inženýrských metod.

Rámcový popis postupu při požárně inženýrském hodnocení

Návrh postupů při odlišném způsobu splnění technických podmínek požární ochrany je souborem zásad, které si kladou za cíl posoudit možný průběh požáru a jeho působení na své okolí. Zpravidla zahrnuje kvalitativní analýzu, kvantitativní analýzu, posouzení výsledků analýzy podle kritérií bezpečnosti, zaznamenání a prezentaci výsledků (viz obr. 3).

Obr. 3 Postup řešení při využití požárně inženýrských metod [3], [4]

Při hodnocení jsou v rámci kvalitativní a kvantitativní analýzy posouzena předem stanovená kritéria přijatelnosti, přičemž vstupními údaji jsou předepsané a předpokládané návrhové parametry.

Princip zpracování kvantitativní analýzy je založen na výměně informací mezi Centrem globálních informací (datovou sběrnicí) a jednotlivými subsystémy SS1 až SS5, popř. SS6 až SS9 (viz obr. 4). Sdílení dat mezi datovou sběrnicí a subsystémy umožňuje komplexní posouzení stavby z hlediska požární bezpečnosti. Subsystém SS9 je zaměřen na ochranu kulturního dědictví (zabránění jeho zničení).

Obr. 4 Znázornění subsystémů při řešení kvantitativní analýzy [3]

Filosofie posouzení jednotlivých subsystémů je obsahem technických norem ISO/TR 13387-X Fire safety engineering.

Zásady pro použití požárního inženýrství v České republice a rozsah spolupráce podílejících se subjektů

Zásady pro použití metod požárního inženýrství jsou v České republice principiálně obsaženy v čl. 5.1.3 ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804, který dále zpřesňuje příloha I ČSN 73 0802 a příloha J ČSN 73 0804. [5], [6]

Aplikace metod požárního inženýrství a jejich rozsah bude zpravidla záviset na úvaze zpracovatele technické zprávy řešení požární bezpečnosti, stavebníka, majitele nebo provozovatele stavby, správního úřadu na úseku požární ochrany a jejich vzájemné konsenzuální dohodě (viz obr. 5). [7]

Obr. 5 Znázornění subsystémů při řešení kvantitativní analýzy [7]

Fragment případové studie obrazárny

V následujících odstavcích bude prezentován fragment případové studie obrazárny s využitím požárně inženýrského postupu.

Popis řešené geometrie a stavebního provedení

Obr. 6 Zjednodušená geometrie posuzované části objektu [1]

Hodnocen bude prostor obrazárny s výstavními síněmi a dalším zázemím o půdorysném rozměru 30/25 m, konstrukční výšce 3,6 m a světlé výšce 3,0 m. Nosné a obvodové konstrukce jsou tvořeny kombinaci kamenného a cihelného zdiva, stropní konstrukce je dřevěná. Hodnocená část objektu není dělena do požárních úseků. Ohnisko požáru je umístěno přibližně ve středu místnosti obrazárny. Zjednodušená geometrie hodnocené části objektu je schematicky znázorněná na obr. 6.

Cílem prezentované případové studie je přiblížit rozvoj požáru v prostorách obrazárny v době 10 minut. Rozvoj požáru byl navržen podle křivky t-kvadratického požáru, kde rychlost uvolňování tepla je úměrná druhé mocnině času. Sledován byl nárůst teploty a pokles vrstvy kouře.

Použité modely požáru

Rozvoj požáru a pohyb kouře v posuzované části objektu byl simulován modelem CFAST (Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport, verze 6) a FDS (Fire Dynamik Simulator, verze 5).

Model CFAST je dvouzónový matematický model požáru vyvinutý NIST (National Institute of Standards and Technology, Maryland, USA), který umožňuje stanovit zejména vývoj a distribuci kouře, zplodin hoření, teplotu v posuzovaném prostoru, teplotu konstrukcí v závislosti na příslušném požárním scénáři atd. [8]

Model FDS je model typu pole, založený na teorii dynamiky proudění tekutin (CFD), který byl vyvinutý NIST (National Institute of Standards and Technology, Maryland, USA), který umožňuje stanovit řadu parametrů doprovázejících rozvoj požáru a to pro dílčí „objemy“ prostoru. Model využívá k řešení Navier-Stokesovy rovnice, které jsou vhodné k hodnocení toků se zohledněním transportu kouře a tepla. [9]

Výše uvedené požární modely používají jako nástroj pro vizualizaci numerických výpočtů software Smokeview.

Posouzení některých parametrů požáru modelem CFAST

Obr. 7 Znázornění změny teploty a úrovně kouře v prostorách obrazárny [1]

Nárůst teploty a postupný pokles vrstvy kouře v prostorách obrazárny jsou znázorněny na obr. 7.

Je zřejmé, že v době 600 s činila průměrná teplota v prostoru obrazárny přibližně 100 °C. K poklesu vrstvy kouře na úroveň 2,5 m dochází přibližně v čase 230 s.

Obr. 8 Časový průběh nárůstu teploty a poklesu vrstvy kouře [1]

Časový průběh nárůstu teploty a poklesu vrstvy kouře je znázorněn na obr. 8.

Poměrně příznivý průběh sledovaných parametrů, tedy nárůstu teploty a poklesu vrstvy kouře, je způsoben zejména nízkým rizikem v hodnoceném prostoru. Hodnota nahodilého požárního zatížení obrazáren p_n = 15 kg.m⁻² (viz příloha A tab. A.1 ČSN 73 0802).

Posouzení některých parametrů požáru modelem FDS

Obr. 9 Znázornění změny teploty a úrovně kouře v prostorách obrazárny [1]

Obr. 10 Znázornění teploty v místě ohniska požáru a poklesu viditelnosti [1]

Nárůst teploty a postupný pokles vrstvy kouře v prostorách obrazárny jsou znázorněny na obr. 9.

Vzhledem k charakteru software FDS bylo nutné sledované parametry hodnotit na více místech prostoru. Byl zvolen střed místnosti, nad ohniskem požáru, a krajní část místnosti. Porovnání sledovaných parametrů na těchto místech, umožní vytvořit si reálnější představu o výsledcích simulace.

V době 600 s činila teplota ve středu místnosti (nad ohniskem) přibližně 400 °C. K poklesu vrstvy kouře na úroveň 2,5 m dochází v tomto místě přibližně v čase 35 s. Změna parametrů, které byly sledovány, je ve středu místnosti obrazárny velmi výrazná a odlišná od software CFAST.

V době 600 s činila teplota v krajní části místnosti přibližně 120 °C. K poklesu vrstvy kouře na úroveň 2,5 m dochází v tomto místě přibližně v čase 180 s. Stanovené parametry v krajní části místnosti jsou do značné míry podobné hodnotám získaným modelem CFAST.

Teplota na řezu ohniskem požáru a prostorový pokles viditelnosti na 5 a 10 m jsou schematicky znázorněny na obr. 10.

Shrnutí

V rámci případové studie byly hodnoceny některé z průvodních jevů, které doprovázejí požár v prostorách obrazárny. Pro hodnocení byl využit zónový model požáru a model požáru typu pole. Ačkoli jsou modely požáru typu pole zjevně perspektivnější, je zřejmé, že zónové modely požáru, mohou i dnes najít své uplatnění.

Nezajímavá není rovněž doba provedených simulací jednotlivými software. Při použití zónového modelu CFAST nepřekročila doba simulace 60 s, v případě modelu FDS činila tato doba přibližně 30 hodin. [1]

Závěr

Kulturní památky mají charakteristické rysy, které se promítají také v oblasti požární bezpečnosti. Ačkoli jejich stavebně technické řešení zpravidla neodpovídá, a stěží také může odpovídat, stávajícím technickým standardům, má jejich provedení z hlediska požární ochrany nejen stránky negativní, ale do určité míry také pozitivní. Jedná se např. o masivní stavební konstrukce, obvodové a nosné konstrukce třídy reakce na oheň A1. Možná pozitiva mohou být při jejich úpravách využita.

V rámci stavebních úprav je možné požární bezpečnost těchto staveb do určité míry vylepšit. Výsledek však bude pravděpodobně vždy určitým kompromisem mezi stávajícími technickými standardy a zachováním jejich historické hodnoty.

Specifický charakter kulturní památek může vyžadovat rovněž uplatnění specifických hodnotících postupů, mezi které je možné zařadit také metody požárního inženýrství. Ukázka použití požárních modelů na fragmentu případové studie obrazárny, pouze populární formou demonstruje některé jejich možnosti.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu Ministerstva vnitra ČR č. VG 20122014074 – „Specifické posouzení vysoce rizikových podmínek požární bezpečnosti s využitím postupů požárního inženýrství“.

Literatura

[1] Pokorný, Jiří – Monoši, Mikuláš. Požární inženýrství jako jedna z cest k zvýšení bezpečnosti kulturních památek. In: Sborník přednášek z X. mezinárodní konference FIRECO 2013 Ochrana pred požiarmi, Protipožiarna bezpečnosť kultúrnych pamiatok – národné kultúrné pamiatky. Trenčín: MV SR Hasičský a záchranný sbor, Ministerstvo kultúry Slovenskej repuliky, Výstavisko Expo Center a.s., 2013.
[2] Národní památkový ústav [online] 2015 [cit. 2015-06-17]. Dostupné z WWW: http://www.npu.cz/.
[3] ISO/TR 13387-1 Fire safety engineering – Part 1: Application of fire performance concepts to design objectives. Geneva: International Organization for Standardization, 1999.
[4] Pokorný, Jiří – Vlček, Vladimír. Use of Statistics for Qualitative Analysis of Fire Engineering Methods. In: Sammelwerk aus der Konferenz 4. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztag. Magdeburg: Hochschule Magdeburg-Stendal, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg mit der Unterstützung der Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V. 2015. ISBN 978-3-00-048960-0.
[5] ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb – Nevýrobní objekty. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2009.
[6] ČSN 73 0804 Požární bezpečnost staveb – Výrobní objekty. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010.
[7] Kučera, P., Pavlík, T., Pokorný, J., Kaiser, R. Požární inženýrství při plnění úkolů HZS ČR. Praha, MV – generální ředitelství Hasičského záchranného sboru ČR, 2012, 66 s., ISBN 978-80-86466-25-5.
[8] Fire Growth and Smoke Transport Modeling with CFAST [online]. 2010 [cit. 2015-06-18]. Dostupné z WWW: http://cfast.nist.gov.
[9] Fire Dynamics Simulator (FDS) and Smokeview (SMV) [online]. 2015 [cit. 2015-06-18]. Dostupné z WWW: http://www.fire.nist.gov/fds.

English Synopsis

The use of fire engineering methods to enhance the security of cultural heritage

The paper describes the possibility of using fire engineering methods to ensure the safety of cultural monuments. Character of cultural heritage and the effort to preserve their historical value, is the cause of conflict situations in their evaluation in terms of fire safety. The case study of the picture gallery demonstrates some of the options of models of fire which are possible tools in solutions different from standards. The use of fire engineering methods is commented with relation to subjects usually participating in fire engineering applications.