V T

T

T I

E D

O T

T E

I T

A Jukka Hietaniemi, Djebar Baroudi, Timo Korhonen,Jouni Bjrkman, Matti Kokkala & Esa LappiYksikerroksisen teollisuushallinrakenteiden palonkestvyydenvaikutus paloturvallisuuteenRiskianalyysi ajasta riippuvaatapahtumapuumallia kytten

VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS ESPOO 2002

2 1 2 3 V T T T I E D O T T E I T A

VTT TIEDOTTEITA RESEARCH NOTES 2123

VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUSESPOO 2002

Yksikerroksisenteollisuushallin rakenteidenpalonkestvyyden vaikutus

paloturvallisuuteenRiskianalyysi ajasta riippuvaatapahtumapuumallia kytten

Jukka Hietaniemi, Djebar Baroudi, Timo Korhonen, Jouni Bjrkman,Matti Kokkala & Esa Lappi

VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

ISBN 9513859355 (nid.)ISSN 12350605 (nid.)ISBN 9513859363 (URL: http://www.inf.vtt.fi/pdf/)ISSN 14550865 (URL: http://www.inf.vtt.fi/pdf/)Copyright Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT) 2002

JULKAISIJA UTGIVARE PUBLISHER

Valtion teknillinen tutkimuskeskus (VTT), Vuorimiehentie 5, PL 2000, 02044 VTTpuh. vaihde (09) 4561, faksi (09) 456 4374

Statens tekniska forskningscentral (VTT), Bergsmansvgen 5, PB 2000, 02044 VTTtel. vxel (09) 4561, fax (09) 456 4374

Technical Research Centre of Finland (VTT), Vuorimiehentie 5, P.O.Box 2000, FIN02044 VTT, Finlandphone internat. + 358 9 4561, fax + 358 9 456 4374

VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka, Materiaalit ja tuotteet, Kivimiehentie 4, PL 1803, 02044 VTTpuh. vaihde (09) 4561, faksi (09) 456 4815

VTT Bygg och transport, Material och producter, Stenkarlsvgen 4, PB 1803, 02044 VTTtel. vxel (09) 4561, fax (09) 456 4815

VTT Building and Transport, Building Materials and Products,Kivimiehentie 4, P.O.Box 1803, FIN02044 VTT, Finlandphone internat. + 358 9 4561, fax + 358 9 456 4815

VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka, Rakenne- ja talotekniikkajrjestelmt,Lmpmiehenkuja 3, PL 1804, 02044 VTTpuh. vaihde (09) 4561, faksi (09) 455 2408

VTT Bygg och transport, Konstruktioner och husteknik, Vrmemansgrnden 3, PB 1804, 02044 VTTtel. vxel (09) 4561, fax (09) 455 2408

VTT Building and Transport, Structures and Building Services,Lmpmiehenkuja 3, P.O.Box 1804, FIN02044 VTT, Finlandphone internat. + 358 9 4561, fax + 358 9 455 2408

Toimitus Leena Ukskoski

Otamedia Oy, Espoo 2002

3

Hietaniemi, Jukka, Baroudi, Djebar, Korhonen, Timo, Bjrkman, Jouni, Kokkala, Matti & Lappi, Esa.Yksikerroksisen teollisuushallin rakenteiden palonkestvyyden vaikutus paloturvallisuuteen. Riskiana-lyysi ajasta riippuvaa tapahtumapuumallia kytten [Influence of fire resistance of structures on firesafety in a single-storey industrial building. Risk analysis using a time-dependent event-tree model].Espoo 2002. Valtion teknillinen tutkimuskeskus, VTT Tiedotteita Research Notes 2123. 95 s. + liitt. 51 s.

Avainsanat fire safety, fire protection, fire resistance, structures, risk analysis, statistics, Markov,Monte Carlo, industrial buildings, alarm systems, smoke exhaust systems, fault treeanalysis

TiivistelmTss tutkimuksessa kehitettiin malli tulipalojen aiheuttamien vahinkojen riskien suu-ruuden laskennalliseen arvioimiseen. Mallia on sovellettu sen selvittmiseen, miten yk-sikerroksisen teollisuushallin henkil- ja omaisuusvahinkoriskit riippuvat rakenteidenpalonkestvyydest. Eri tekijiden vertailemiseksi tutkittiin mys sit, miten kohdera-kennuksen paloturvallisuusvarusteiden (hlytyksen, ksisammuttimien ja savunpoiston)eri muunnelmat vaikuttavat paloturvallisuuteen.

Kehitetty riskianalyysimenetelm edustaa uutta paloriskien arvioimisen lhestymista-paa, jossa palon kehittyminen ajan mukana otetaan huomioon kaikissa tarkastellun jr-jestelmn tapahtumien ja prosessien kuvauksissa. Menetelm yhdist palon aikana ta-pahtuvien eri prosessien kehittymisen mallit kuvaukseksi koko tulipalon kehityksest.Mallin toiminta perustuu systeemin tapahtumapuukuvaukseen, jonka perusteella tulipa-lon aikakehitys saadaan laskettua ksittelemll jrjestelm Markovin prosessina. Ris-kien suuruus saadaan mritetty, kun tulipalon ajallisen kehittymisen kuvaukseen lii-tetn palon mahdollisten seuraamusten kvantitatiivinen arviointi.

Mallia sovellettiin henkil- ja omaisuusvahinkojen riskien arviointiin korkeahkossa (si-skorkeus 8 m) yksikerroksisessa teollisuusrakennuksessa, jossa palon voidaan olettaapysyvn paikallisena. Tulokset osoittavat, ett tmn esimerkkirakennuksen tapauksessatarkastellut muutokset rakenteiden paloluokissa eivt vaikuttaneet kytnnllisesti kat-soen lainkaan omaisuusriskeihin. Mys henkilille koituvien riskien suhteen havaittiinrakenteiden vaikutuksen olevan merkityksettmn pieni etenkin, kun sit verrataanmuiden paloturvallisuuteen vaikuttavien tekijiden merkitykseen.

4

Hietaniemi, Jukka, Baroudi, Djebar, Korhonen, Timo, Bjrkman, Jouni, Kokkala, Matti & Lappi, Esa.Yksikerroksisen teollisuushallin rakenteiden palonkestvyyden vaikutus paloturvallisuuteen. Riskiana-lyysi ajasta riippuvaa tapahtumapuumallia kytten [Influence of fire resistance of structures on firesafety in a single-storey industrial building. Risk analysis using a time-dependent event-tree model].Espoo 2002. Technical Research Centre of Finland, VTT Tiedotteita Research Notes 2123. 95 p. + app.51 p.

Keywords fire safety, fire protection, fire resistance, structures, risk analysis, statistics, Markov,Monte Carlo, industrial buildings, alarm systems, smoke exhaust systems, fault treeanalysis

AbstractA model for quantitative analysis of fire risks has been developed. The model has beenapplied to a single-storey industrial building to assess quantitatively the influence of thefire resistance of the structures of the building to the risks associated with casualties andproperty damage. The influence of other factors affecting the fire safety besides the fireresistance, such as alarm system, manual extinguishers and smoke exhaust system, hasalso been addressed.

The developed method represents a novel approach to analysis of fire risks in which thetemporal evolution of the fire has been taken into account explicitly in the descriptionsof the events and processes taking place during the fire incident. The model combinesthe different unit processes of the fire to an overall description of the evolution of thefire incident. The model is based on an event-tree description of the system, the timeevolution of which is calculated by treating the system as a Markovian process. Therisks are derived from the time-dependent description of the fire through incorporationof quantitative characterisations of the potential consequences.

The model was applied to fire risk analysis of a single-storey industrial building with 8-m ceiling height, in which the fire can be assumed to remain localised through thewhole fire incident. The results in this application example show that the risks associ-ated with damage to property are virtually independent of the changes in the fire resis-tance of the structures. Also considering the risks to personnel, the influence of the fireresistance of the structures was found out to be negligibly small, especially when com-pared to influence of other factors affecting the fire safety of the building.

5

AlkusanatTyss kehitettiin malli tulipalojen aiheuttamien vahinkojen riskien laskennalliseen ar-vioimiseen. Mallia on sovellettu sen selvittmiseen, miten yksikerroksisen teollisuus-hallin henkil- ja omaisuusvahinkoriskit riippuvat rakenteiden palonkestvyydest.

Tm tutkimus on osa STEELTIMBER-hanketta, jonka ovat rahoittaneet Teknologiankehittmiskeskus (Tekes), Wood Focus Ltd ja Tersrakenneyhdistys. Tekijt kiittvtnit tahoja tyn rahoittamisesta.

Hankkeen johtoryhmn ovat kuuluneet seuraavat henkilt: Ismo Heinonen, puheen-johtaja (Vapo Timber Oy), Jouko Kouhi (Tersrakenneyhdistys), Markku Lehtonen(Wood Focus Oy), Jarmo Leskel (Metsteollisuus ry), Pekka Nurro (Wood Focus Oy),Kai Rty (Tersrakenneyhdistys), Kristian Witting (Rautaruukki Oy) ja Tom Warras(Tekes). Johtoryhmn jseni kiitetn heidn asiantuntevasta ohjauksestaan tyn ku-luessa.

6

Sisllysluettelo

Tiivistelm.........................................................................................................................3

Abstract..............................................................................................................................4

Alkusanat ...........................................................................................................................5

1. Johdanto .......................................................................................................................7

2. Tarkastelumenetelmn kuvaus.....................................................................................92.1 Yleiskuvaus tietyn rakennuksen riskien analysoinnista .....................................92.2 Tietyn uhkakuvan riskianalyysiss kytetty ajasta riippuva tapahtumapuumalli .... 112.3 Stokastisesti ksitelty mitoituspalo ja sen kytt .............................................132.4 Mallissa tarkasteltujen tapahtumien ja prosessien yleiskuvaus........................13

2.4.1 Palon havaitseminen aistinvaraisesti tai automaattisen paloilmoittimenavulla......................................................................................................14

2.4.2 Palon sammutus ja itsesammuminen .....................................................142.4.3 Henkiliden poistuminen palavasta rakennuksesta................................152.4.4 Savun kertyminen rakennukseen ...........................................................152.4.5 Rakenteiden lmpeneminen ja vaurioituminen......................................16

2.5 Tulipalon ajallisen kehityksen huomioon ottaminen........................................162.5.1 Tulipalon jako aikajaksoihin..................................................................162.5.2 Palon eri vaiheiden tapahtumapuuanalyysi............................................172.5.3 Palon aikakehityksen laskeminen kyttmll eri hetki kuvaavien

tapahtumapuiden informaatiota..............................................................192.6 Rakennus ja tarkastellut uhkakuvat ..................................................................21

3. Tarkastelun kohderakennus .......................................................................................233.1 Rakennuksen koko, kytt ja palontorjunta .....................................................233.2 Tarkasteltavat rakenteet....................................................................................24

4. Tarkastelun perustana oleva tulipalo .........................................................................264.1 Kuormalavapinon palamisen deterministinen kuvaus......................................264.2 Palon kuvaaminen stokastisena tapahtumana: Monte Carlo -simulointi.........29

4.2.1 Simuloinnin suoritus ..............................................................................304.2.2 Simuloituja palotehokyri ....................................................................32

5. Palon havaitseminen ..................................................................................................335.1 Havainnointi aistein..........................................................................................335.2 Automaattinen havainnointi .............................................................................34

7

6. Palon sammuttaminen tai sammuminen itsestn......................................................366.1 Palon sammuttaminen ......................................................................................366.2 Palon sammuminen ..........................................................................................37

7. Poistuminen palavasta rakennuksesta ........................................................................39

8. Rakennuksen tyttyminen savulla..............................................................................42

9. Tulipalon vaikutus rakenteisiin..................................................................................459.1 Terspalkki .......................................................................................................46

9.1.1 Lmprasituksen mallintaminen ............................................................469.1.2 Terspalkin vaurioituminen ...................................................................499.1.3 Terspalkin vaurioitumisaikojen jakaumat ............................................50

9.2 Liimapuupalkki.................................................................................................529.2.1 Liimapuupalkin kantokyky ....................................................................529.2.2 Liimapuupalkin kuormitus.....................................................................559.2.3 Liimapuupalkin vaurioituminen.............................................................559.2.4 Liimapuupalkin vaurioitumisaikojen jakaumat .....................................55

10. Seuraamukset .............................................................................................................5710.1 Omaisuusvahingot ............................................................................................5710.2 Henkilvahingot ...............................................................................................59

11. Paloriskien arviointi ...................................................................................................6011.1 Sytttiedot ......................................................................................................60

11.1.1 Omaisuusvahinkojen analysoinnin vaatimat tiedot................................6011.1.2 Henkilvahinkojen analysoinnin vaatimat tiedot...................................66

11.2 Riskianalyysin tulokset.....................................................................................7111.2.1 Henkilvahinkojen syntyminen .............................................................7111.2.2 Omaisuusvahinkojen syntyminen ..........................................................75

12. Riskianalyysin tulosten tarkastelu..............................................................................8012.1 Tietyn palonkestoluokan omaavan rakenteen vaurioitumisriski palonkestoajan

puitteissa...........................................................................................................8012.1.1 Terspalkki.............................................................................................8012.1.2 Liimapuupalkki ......................................................................................81

12.2 Rakenteiden palonkeston vaikutus paloriskeihin .............................................8212.2.1 Terspalkit..............................................................................................8212.2.2 Liimapuupalkit .......................................................................................85

12.3 Rakennuksen paloturvallisuusvarusteiden vaikutus paloriskeihin ...................86

8

13. Yhteenveto .................................................................................................................90

Loppusanat.......................................................................................................................92

Lhdeluettelo ...................................................................................................................93

LIITTEET

Liite A: Terspalkin palonkestoluokan ja poikkileikkaustekijn suhde kriittisenlmptilan vaurioitumistavan puitteissa

Liite B: Monte Carlo -simulointitekniikka

Liite C: Palotehon kasvu- ja hiipumisajan riippuvuussuhteesta

Liite D: Hiiltymismalli

Liite E: Lumikuorman tilastollinen tarkastelu

Liite F: Palotapahtuman aikakehityksen laskeminen

Liite G: Riskianalyysilaskelmien tulokset

Liite H: Erilaisten paloturvallisuusvarustelujen vertailu

9

1. JohdantoPaloilmiit ja palon vaikutuksia koskeva ymmrtmys ja tiedon mr ovat kasvaneetvoimakkaasti parin viimeisen vuosikymmenen aikana. Samalla mys tietotekniikantarjoamat mahdollisuudet suunnitella, laskea ja analysoida paloturvallisuuteen liittyvitekijit ovat kehittyneet rjhdyksenomaisesti. Nm kehitystrendit ovat mahdollista-neet palotekniikan kohoamisen insinritieteeksi ja kulminoituneet mahdollisuudeksikytt paloturvallisuuden suunnittelussa ja arvioinnissa toiminnallista lhestymistapaa,jossa tarkastelu lhtee siit rationaalisesta ajatuksesta, ett systeemej pit lhestylhtien niilt edellytettvst toiminnasta.

Tulipalot ovat ongelmallisia, koska ne uhkaavat yhteiskuntaa monin tavoin. Ne aiheut-tavat ihmishenkien ja omaisuuden menetyksi suorasti ja epsuorasti. Siksi paloturvalli-suuden toiminnalliseen lhestymistapaan liittyy erottamattomana osana tulipalojen ai-heuttamien uhkien ja niiden seuraamusten arviointi eli riskien arviointi.

Sen lisksi, ett paloriskien arviointimenetelmi voidaan soveltaa rakennusten suunnit-telussa ja suunnitelmien paloturvallisuusvaikutusten arvioimisessa, niit voidaan kyttmys yleisempn arviointitehtvn, nimittin sen tutkimiseen, miten palosdstenvaatimukset vaikuttavat paloturvallisuuteen. Koska osa olemassa olevista palosdk-sist on perustunut perinteeseen ja on voinut muotoutua erilaisten ei-teknisten vaikutuk-sien alaisena, ei ole lainkaan mahdotonta, ett niiden vaikutusten rationaalinen tarkas-telu voi paljastaa muutostarpeita.

Suomessakin on noussut esille kysymyksi siit, ovatko palosdkset tasapuolisia eri raken-nustuotteiden suhteen. Tllaisten kysymyksien ratkaiseminen vaatii palosdsten paloturval-lisuusvaikutusten analysointia, mik puolestaan edellytt thn tehtvn sopivien menetel-mien kytt, jotka mahdollistavat kysymysten neutraalin asialhtisen tarkastelun ja eri te-kijiden kvantifioinnin. Jotta rakenteiden palonkestovaatimusten vaikutus paloriskeihin saa-taisiin selvitetty, Suomen ters- ja puuteollisuus aloittivat hankkeen nimeltSTEELTIMBER, jonka tavoitteena oli tehtvn sopivan menetelmn luominen.

Sopivan menetelmn lytminen palosdsten paloturvallisuusmerkityksien selvittmi-seksi osoittautui hankalaksi, sill vaikka paloriskien arviointimenetelmi onkin saatavilla,osoittautui, ett niiden kytettvyys ei vlttmtt ole itsestn selvsti taattu.

Paloriskien arviointimenetelmi on saatavilla joko menetelmkuvauksina tai tietokone-ohjelmina. Niit ovat mm. FIRE [Fitzgerald 1986], CRISP [Fraser-Mitchell 1994], Fi-RECAM [Yung ym. 1997], CESARE-RISK [Beck 1998], MOCASSIN [Hognon1991], SIA 81 [SIA 1996] ja FRAME [Hoffman 1995]. Ongelmana niden mallienkytss on saada tiet, ovatko ne kelpoisia kytettvksi mys Suomen palosds-

10

ympristss. Vaikka paloturvallisuuden arvioimismenetelmt on pyritty laatimaanmahdollisimman yleispteviksi ja monet niiden kyttmist malleista ovat luonnontietei-siin perustuvina yleiskyttisi, on kytnnss hyvin vaikeaa toteuttaa paloriskien ar-viointimenetelm, joka ei joiltain kohdiltaan tukeutuisi oletuksiin, joiden ptevyys voivaihdella sdsympristn mukaan. Tllaisia mahdollisia ongelmia on usein vaikea ha-vaita muuta kuin yrityksen ja erehdyksen menetelm kytten. Mahdollisten tarvitta-vien muutosten tekeminen voi osoittautua hyvin hankalaksi, koska menetelmi ei mones-tikaan ole suunniteltu joustaviksi eik muunneltaviksi, mik usein onkin suotavaa, jottavoidaan mm. ehkist mallin virheellist kytt. Mys se perusvaatimus, joka pteemink tahansa paloteknisen menetelmn kytlle, ett kyttjn tulisi tuntea menetelmntoiminnan periaatteet ja tekninen toteutus, on vaikea toteuttaa, koska menetelmien doku-mentoinnit eivt lhes koskaan sisll kaikkia oleellisia tietoja. Jos mallien sisltmiinoletuksiin ja eri prosessien kuvauksiin pstn ksiksi, voidaan havaita niiden olevanmonien ongelmien tarkastelun kannalta liian rajoittuneita.

Edell mainituista syist STEELTIMBER-hankkeessa ptettiin kehitt menetelm,jolla palosdsten vaikutuksia voidaan tutkia eri rakennemateriaalien kannalta. Tmjulkaisu sislt kehitetyn menetelmn kuvauksen ja sen sovellusesimerkin yksikerrok-siseen teollisuushalliin.

Menetelm on aivan uusi tapa arvioida paloriskej. Sen erityinen uusi piirre on se, ettpalon kehittyminen ajan mukana otetaan huomioon kaikissa tarkastellun jrjestelmntapahtumien ja prosessien kuvauksissa. Menetelm yhdist palon aikana tapahtuvieneri prosessien kehittymisen mallit kuvaukseksi koko tulipalon kehityksest. Koska tuli-palon mahdollisten tapahtumaketjujen kehittyminen kuvataan kytten apuna tapahtu-mapuita eri ajanhetkin, voidaan menetelm luonnehtia nimityksell ajasta riippuvatapahtumapuumalli. Tapahtumapuut luovat kuitenkin vain staattisen kehyksen palonkehityksen kuvaamiselle. Varsinainen aikakehityksen simulointi suoritetaan ksittele-mll systeemi ajan suhteen diskreettin Markovin prosessina.

Riskien suuruus saadaan mritetty, kun tulipalon ajallisen kehittymisen kuvaukseenliitetn palon mahdollisten seuraamusten kvantitatiivinen arviointi.

Tss tyss esitetty malli soveltuu sellaisenaan vain esimerkkitapauksena ksitellyn teolli-suushallin kaltaisten varsin yksinkertaisten kohteiden paloturvallisuuden tarkasteluun. Mal-lia kehitetnkin jatkuvasti, ja se tulee kehitystyn jatkuessa saamaan useita lispiirteit,jotka mahdollistavat sen kytn lukuisissa muissakin sovelluskohteissa.

Tm julkaisu alkaa menetelmn lyhyell kuvauksella luvussa 2, jota seuraavat luvut jaliitteet tydentvt. Lopuksi esitetn kohderakennuksen riskianalyysin tulokset ja nii-den arviointi.

11

2. Tarkastelumenetelmn kuvaus

2.1 Yleiskuvaus tietyn rakennuksen riskien analysoinnista

Tss tyss kehitetty malli tuottaa arvion tarkastelun kohteeksi valitun rakennuksenpaloriskeist. Tss julkaisussa ksiteltvt riskityypit ovat henkil- ja omaisuusriskit,jotka ovat paloturvallisuuden kannalta ensiarvoisen trkeit. Mallia edelleen kehitettes-s pyritn toteuttamaan mys muiden riskityyppien arviointiin tarvittavia alimalleja.

Rakennuksen paloriskit muodostetaan yhdistmll tietyille valituille uhkakuville las-ketut riskit kuvassa 1 esitetyn systeemin kaaviokuvan mukaisesti. Vaiheessa A valitaantarkasteltava rakennus ja kertn kaikki paloriskien arvioinnissa tarvittava tieto. Ra-kennuksen ominaisuuksista otetaan huomioon sen sijainti, koko, kytttapa, miehitys jaeri tilojen jrjestely ja kytt. Rakennuksen sijainti otetaan huomioon palokunnan saa-pumisajan mrittmisess. Rakennuksen kytttapa otetaan huomioon sen paloturvalli-suusvaikutusten kautta, esim. mrysten edellyttmn paloturvallisuustason vaatimienhavainnointi-, hlytys- ja sammutuslaitteiden. Rakennuksen miehitys vaikuttaa paloris-keihin kahdella tavalla. Toisaalta, mit enemmn rakennuksessa on vke, sit suurem-mat ovat palon aikaisen havaitsemisen ja sammuttamisen todennkisyydet. Toisaaltasuuri ihmismr kasvattaa mahdollisten uhrien riski. Tilojen jrjestely ja kytt ote-taan huomioon siin mrin kuin mahdollisten tulipalojen kuvaaminen riittvn yksi-tyiskohtaisesti edellytt (palokuorma, mahdolliset sytytyslhteet, jne.).

Vaiheessa B valitaan uhkakuva (skenaario) valitsemalla jokin mahdolliseksi katsotuistapaloskenaariosta, jokin rakennuksen miehityksen vaihteluun liittyvist vaihtoehdoista, jne.

Vaiheessa C toteutetaan valitun uhkakuvan riskianalyysi kyttmll tss tyss kehi-tetty mallia, jossa tulipalon ajallinen kehitys otetaan huomioon 1) analysoimalla tietyt,mallissa valitut ajanhetket tapahtumapuiden avulla sek 2) kytkemll nm eri hetkienkuvaukset toisiinsa koko palon aikakehityksen kuvaukseksi. Mallia kutsutaan jatkossanimell ajasta riippuva tapahtumapuumalli. Tm julkaisu keskittyy tmn mallin jamuiden vaiheessa C tarvittavien tyvaiheiden kuvaamiseen.

Vaiheessa D yhdistetn kaikkien eri uhkakuvien riskianalyysien tuloksena saadut riski-arvot arvioksi rakennusta koskevista tulipaloriskeist. Yhdistminen suoritetaan laske-malla eri uhkakuvia vastaavien riskien painotettu summa, jossa painokertoimet kuvaavatkunkin uhkakuvan todennkisyytt.

12

A. TARKASTELUN KOHTEEKSI VALITTU RAKENNUS

PALOTURVALLISUUTEEN LIITTYV TIETO:

PALON EHKISY- JA TORJUNTA-

SYSTEEMIT

RAKENNUKSEN TOIMINTA JA

MIEHITYSPALOKUNTA

B. 1. PALOSKENAARIO- palon sijainti- palon kasvunopeus- jne.

2. RAKENNUKSEN MIEHITYKSEN ERI VAIHTOEHDOT

- pivmiehitys- iltamiehitys- miehitys isin, viikonloppuisin, lomien aikana, jne.

3. MUUT MAHDOLLISESTI VAIHTELEVAT TEKIJT

VALITAAN YKSI VAIHTOEHTO KUSTAKIN ESIM. PALOSKENAARIO, MIEHITYS, MUU TEKIJ:

TIETTY UHKAKUVA (SKENAARIO)

C.

TULIPALON KEHITTYMINEN KYSEISESS UHKAKUVASSA:

ANALYSOINTI AJASTA RIIPPUVAN TAPAHTUMAPUUMALLIN AVULLA

ERI TAPAHTUMAKETJUJEN TODENNKISYYDET KYSEISESS

UHKAKUVASSA=> SEURAAMUSTEN

TODENNKISYYDET

SEURAAMUSTEN SUHTEELLISET RISKIT TARKASTELLUSSA UHKAKUVASSA => UHKAKUVAN HENKILRISKI JA OMAISUUSRISKI

SEURAAMUSTEN ARVIOINTI: => SEURAAMUSTEN SUURUUS

TULIPALON KEHITTYMISEN KUVAAMISEEN TARVITTAVA TIETO

D.

ERI VAIHTOEHTOJEN PAINOTUKSET

TARKASTELLUN RAKENNUKSEN PALORISKIT: HENKIL- JA OMAISUUSRISKIT

RISKIT, UHKAKUVA 1

RISKIT, UHKAKUVA 2

RISKIT, UHKAKUVA N

RISKIT, UHKAKUVA N-1

PAINOKERROIN, UHKAKUVA 1

PAINOKERROIN, UHKAKUVA 2

PAINOKERROIN, UHKAKUVA N-1

PAINOKERROIN, UHKAKUVA N

Kuva 1. Riskianalyysin kulun kaaviokuva.

13

2.2 Tietyn uhkakuvan riskianalyysiss kytetty ajasta riippuvatapahtumapuumalli

Tietyn uhkakuvan paloriskien tarkastelussa kytetty systeemi ja tarkastelussa kytetytmenetelmt esitetn kaaviona kuvassa 2.

Tarkastelun perustana on valitun paloskenaarion kuvaaminen stokastisesti mallinnettunamitoituspalona (vaihe I).

Seuraavassa vaiheessa (vaihe II) kydn lpi tarkastelun piiriin valitut tulipalon aikai-set tapahtumat ja prosessit. Osa nist tapahtumista ja prosesseista kuvataan laskenta-mallien avulla. Tietyiss prosesseissa ilmiiden vaihtelevuus otetaan huomioon suorit-tamalla laskennat yhdistettyn Monte Carlo -simulointiin, mutta tietyt prosessit tai nii-den alisysteemit kuvataan yksinkertaisuuden vuoksi ilman vaihtelevuutta.

Vaiheessa III vaiheesta II saatu tieto eri tapahtumien ja prosessien etenemiseen liitty-vist todennkisyyksist kootaan tapahtumapuiden avulla jsennetyksi kuvaukseksitulipalon tilasta valittuina ajanhetkin. Tapahtumapuukuvaus tydennetn erillisellseuraamusten analysoinnilla. Tmn jlkeen lasketaan systeemin tilan kehittyminen ajanmukana kytten joko ehdollisia todennkisyyksi tai Markov-prosessin aikakehityk-sen laskentakaavoja.

Vaiheessa IV kertn systeemin aikakehityksen laskennan antamat tulokset riskiensuuruudesta tarkastellussa uhkakuvassa. Riskeist saadaan lopullisten arvojen lisksiselville mys niiden ajallinen kehitys. Riskien lisksi systeemin aikakehityksen lasken-nan tuloksista voidaan seurata eri tapahtumien ja prosessien aikakehityst (esim. palonhavaitsemista, palon sammuttamista, uhkaavien olosuhteiden kehittymist jne.) ja ver-rata niit toisiinsa. Jos riskiarvot kerrotaan kyseist uhkakuvaa vastaavien tulipalojenesiintymistaajuudella, voidaan arvioida tulipalon kokonaisriski.

Eri tapahtumia ja prosesseja tarkasteltaessa kytettyjen menetelmien ja mallien yleisku-vaus esitetn kohdassa 2.3. Niiden soveltaminen kytnnss tuodaan esille esimerk-kitapauksen riskien analysoinnissa luvuissa 411 ja niihin liittyviss liitteiss.

14

I TULIPALO:VALITUN MITOITUSPALON STOKASTINEN KUVAUS (MONTE CARLO SIMULOINTI)

II

RAKENTEIDEN LMPENEMINEN

TOIMENPITEISIIN JA PROSESSEIHIN

LIITTYVT TODENNKISYYDET

ERI AJAN HETKIN

LASKENTA-MALLIT

MONTE CARLO

SAVUN KERNTYMINEN

POISTUMINEN

HAVAITSEMINEN

IHMISET ILMOITIN

PALONITSESAMMUMINEN

VIKAPUUT

LUOTETTAVUUS-TIEDOT

TILASTOT

ASIAN-TUNTIJA-ARVIOT

SAMMUTUS

HENK.KUNTA

AUTO-MAAT-TINEN

PALO-KUNTA

TOIMENPITEET JAPROSESSIT: TIEDONLHTEET:

IIITULIPALON TILA JA TAPAHTUMAKETJUT

VALITTUINA AJAN HETKIN

TAPAHTUMAPUU: AIKA NTAPAHTUMAPUU: AIKA 2

TAPAHTUMAPUU: AIKA 1

TULIPALON ETENEMINEN AJAN MUKANA:

ERI HETKI KUVAAVIEN TAPAHTUMAPUUKUVAUSTEN

LIITTMINEN YHTEEN

(ehdollinen todennkisyys tai Markov-ketju)

SEURAAMUSTEN MRITTMINEN

HENKIL-VAHINGOT

OMAISUUSVAHINGOT

SEURAAMUKSET ERI AJAN HETKIN

IVSEURAAMUSTEN

TODENNKISYYDET JA ODOTUSARVOT

TARKASTELTUA UHKAKUVAA KOHTI

(suhteelliset riskiarvot)

RISKIT(absoluuttiset

riskiarvot)

TULIPALOJEN ESIINTYMISTAAJUUS

Kuva 2. Tarkastelun kohteeksi valitun rakennuksen tietyn uhkakuvan riskien arvioinnis-sa kytetyn mallin kaavakuva. Automaattinen palon sammutus (sprinklerit) esitetnmuista poikkeavalla tavalla sen korostamiseksi, ett tss tyss ei ole tarkasteltu senvaikutusta.

15

2.3 Stokastisesti ksitelty mitoituspalo ja sen kytt

Paloskenaariot kuvataan kvantitatiivisesti kytten mitoituspaloa, jonka oletetaan ke-hittyvn vapaasti eli siten, ett siihen ei kohdisteta sammutustoimenpiteit. Mitoitus-palo kuvataan stokastisena prosessina kytten apuna Monte Carlo -simulointi-tekniikkaa. Kytnnss tm tarkoittaa sit, ett yhden mitoituspalon sijasta lhesty-mistapa kattaa suuren joukon (tuhansia tai kymmeni tuhansia) mitoituspaloja, joistakukin edustaa jotain rakennuksessa mahdollista tulipaloa: mukana on koko tulipalojenmahdollinen variaatioskaala siten, ett ripit edustavien eptodennkisten palojenlukumr on pieni ja tyypillisten todennkisten palojen lukumr on suuri.

Stokastisesti kuvattua mitoituspaloa kytetn kaikkien tarkasteluun mukaan otettujentapahtumien ja prosessien kuvaamisen perustietona.

Koska tarkasteltu rakennus on sismitoiltaan hyvin suuri, on oletettu, ett tulipalot py-syvt paikallisina eik lieskahdusta tapahdu. Paikallisen palon skenaarioina tarkastel-laan kahdella eri nopeudella kehittyvi paloja. Toinen palotyyppi on nopeasti kehittyvpalo, jonka kasvuajan oletetaan olevan vlill 120180 s siten, ett kasvuajan keskiarvoon 150 s. Hitaamman palotyypin kasvuajan oletetaan olevan vlill 300600 s, eli kas-vuaika vastaa normaalilla tai hitaalla nopeudella kasvavaa paloa.

2.4 Mallissa tarkasteltujen tapahtumien ja prosessienyleiskuvaus

Seuraavat palonvahinkojen torjuntalaitteet otetaan huomioon niiden toimintaa koske-vien tilasto- ja luotettavuustietojen sek niiden toimintaa kuvaavien mallien perusteella:

automaattiset palon havaitsemis- ja hlytyslaitteet

alkusammutuskalusto

savunpoistojrjestelm.

On huomattava, ett sprinklereiden vaikutusta ei tss tyss tarkasteltu, koska tarkaste-lun kohteena olevassa esimerkkirakennuksessa ei ole automaattista sammutusjrjestel-m. Mitn periaatteellisia tai teknisi vaikeuksia niiden huomioonottamisessa ei ole.

Menetelmss otetaan huomioon seuraavat tulipaloon liittyvt tapahtumat tai prosessit:

palon havaitseminen joko aistinvaraisesti tai paloilmoittimen avulla

palon sammuttaminen ksin, johon on sisllytetty

- sammutus henkilkunnan toimesta ja

16

- sammutus palokunnan toimesta,

palon loppuminen siihen, kun palokuorma palaa loppuun,

ihmisten poistuminen palavasta rakennuksesta

savun kertyminen rakennukseen

rakenteiden lmpeneminen.

2.4.1 Palon havaitseminen aistinvaraisesti tai automaattisenpaloilmoittimen avulla

Palohavainnon voi tehd henkilkunta tai automaattinen paloilmaisin. Palon havaitse-misen todennkisyytt on helpointa tarkastella sen komplementin, eli tapahtumanpaloa ei havaita, avulla. Tapahtuma paloa ei havaita vastaa sit, ett sek henkil-kunnan ett paloilmoittimen tekem havainnointi eponnistuu, joten sen todennkisyysvoidaan mritt kuvan 3 esittmst vikapuusta.

IHMISTEN TEKEM

HAVAINNOINTI EPONNISTUU

&

PALOA EI HAVAITA

PALOILMOITTIMEN TEKEM

HAVAINNOINTI EPONNISTUU

Kuva 3. Palon havaitsemisen vikapuutarkastelu.

Henkilkunnan tekemn palon havaitsemisen todennkisyydet mritettiin asiantunti-ja-arviona ja paloilmoittimen tekemn havaitsemisen todennkisyydet laskettiin palonaiheuttaman kattosuihkun ilmaisinta lmmittvn vaikutuksen avulla. Palon havaitsemi-sen yksityiskohtainen ksittely esitetn luvussa 5.

2.4.2 Palon sammutus ja itsesammuminen

Mallissa otetaan huomioon palon sammuttaminen sek henkilkunnan ett palokunnantoimesta. Henkilkunnan oletetaan yrittvn sammutusta vain kerran, samalla hetkellkuin palo havaitaan. Henkilkunnan oletetaan yrittvn sammuttaa paloa vain ensim-misen 10 minuutin aikana, jolloin palokunta ei ole viel paikalla. Palokunnan oletetaan

17

saapuvan paikalle vasta 10 minuutin jlkeen ja tmn jlkeen sammutusyritykset ta-pahtuvat palokunnan toimesta.

Tss tyss palokunnan ja henkilkunnan tekem sammuttaminen yhdistettiin tapah-tumapuissa yhdeksi haaraksi systeemin yksinkertaistamiseksi ja tapahtumapuiden koonpienentmiseksi. Tarkasteltaessa tss tyss tutkittua teollisuushallia monimutkaisem-pia systeemej on ksitteellisesti selkemp erottaa nm kaksi tapahtumaa omiksitapahtumapuun haaroikseen.

Palon sammutusta ja mahdollisuutta, ett se sammuu itsekseen, ksitelln kvantitatiivi-sesti luvussa 6.

2.4.3 Henkiliden poistuminen palavasta rakennuksesta

Ihmisten poistumista palavasta rakennuksesta tarkastellaan yksinkertaisen hydraulisenlaskentamallin [Nelson ja MacLennan 1995] avulla siten, ett poistumiseen liittyvepvarmuustekij kuvataan ksittelemll palon havaitsemisaikaa satunnaisena (sto-kastisena) suureena.

2.4.4 Savun kertyminen rakennukseen

Savun kertyminen rakennukseen ja sen aiheuttama uhka ihmisille otetaan huomioonpalotilaan syntyvn kuuman savukerroksen laskeutumisajan sek rakennuksen savun-poistojrjestelmn toiminnan perusteella kuvan 4 esittmll tavalla.

TULIPALO PYSTYY TYTTMN

RAKENNUKSEN SAVULLA

&

SAVUKERROS LASKEUTUU KRIITTISELLE

TASOLLE

SAVUNPOISTO EI TOIMI

P = 0.1

Kuva 4. Vikapuutarkastelu koskien savun kertymist kriittiselle tasolle.

Kriittisen, vahingollisiin seurauksiin johtavana tapahtumana pidetn Lundin yliopis-ton esittmien tarkastelujen [Magnusson ym. 1995] mukaisesti sit, kun savukerroksenalareuna laskeutuu tasolle 1,6 metri + 10 % rakennuksen korkeudesta. Tmn ajan las-

18

keminen esitetn luvussa 8. Savunpoistosysteemin oletetaan toimivan 90 %:n varmuu-della.

2.4.5 Rakenteiden lmpeneminen ja vaurioituminen

Rakenteiden lmpenemist kuvataan paikallisen palon aiheuttamaa lmprasitusta ku-vaavien mallien avulla [Hasemi ym. 1995, Myllymki ja Kokkala 2000]. Riskianalyysitehdn erikseen kahdelle rakennevaihtoehdolle, ters- tai liimapuupalkille. Tersra-kenteiden vahingoittumista kuvataan kytten kriteerin terksen lmpenemist kriitti-seen lmptilaan, jonka arvoksi on oletettu 600 C. Puupalkin vaurioituminen lasketaansen hiiltymisen perusteella. Hiiltymisen laskenta suoritetaan kytten VTT Paloteknii-kassa kehitetty hiiltymisrajan etenemist kuvaavaa mallia, joka perustuu Ba-roudin [1994] esittmn malliin.

Tulipalon rakenteisiin kohdistamaa lmmityst tarkastellaan stokastisena prosessina elitapahtumana, jonka lopputulokset eivt samaa tilannetta kuvattaessa ole tsmlleen sa-moja vaan sisltvt vaihtelevuutta. Nin malliin saadaan mukaan se todellisia tulipalojajljittelev piirre, ett kunkin tulipalon kehitys on erilainen, vaikka palojen alkutilanteetolisivatkin yhtenevt. Teknisesti vaihtelevuuden huomioon ottaminen tehdn kytt-mll hyvksi Monte Carlo -simulointitekniikkaa siten, ett sek paikallisen palon ai-heuttamaa lmpenemist ett palokuormaa ja palotapahtumaa kuvaavien mallien para-metreja ksitelln epvarmuutta sisltvin stokastisina suureina (parametreille ei an-neta tiettyj tarkkaan mriteltyj vakioarvoja, vaan niiden arvot valitaan sopivista ti-lastollisista jakaumista). Monte Carlo -menetelm kuvataan tarkemmin liitteess B jarakenteiden vahingoittumisen laskentatapojen yksityiskohdat esitetn luvussa 9.

2.5 Tulipalon ajallisen kehityksen huomioon ottaminen

2.5.1 Tulipalon jako aikajaksoihin

Riskianalyysimallissa otetaan palon ajallinen kehitys huomioon eksplisiittisesti. Ky-tnnss tm tehdn siten, ett palo jaetaan aikajaksoihin, joista kutakin tarkastellaanerillisell tapahtumapuulla siihen liittyvine todennkisyyksineen, jotka ovat erisuuriapalon eri aikoina. Tss tyss kytetn seuraavaa aikajakoa: 5, 10, 15, 30, 60 ja120 minuuttia. Palon ajallisen kehityksen ksittely on havainnollistettu kuvassa 5.

19

0

20

40

60

80

100

0 30 60 90 120aika (min)

palo

teho

(MW

)

I II III IV V VI

kasvuaika 150 s

kasvuaika 300 s

Kuva 5. Tulipalon riskitarkastelussa kytetty aikajako ja kahta analysoitua palota-pausta edustavat palotehokyrt. Aikajaksot ovat 05 min, 510 min, 1015 min,1530 min, 3060 min ja 60120 min.

2.5.2 Palon eri vaiheiden tapahtumapuuanalyysi

Tapahtumia palon eri aikoina analysoidaan kytten kolmea eri tapahtumapuutyyppi,jotka on esitetty kuvassa 6. Yhdell tapahtumapuulla tarkastellaan palon jatkumista jakahdella muulla analysoidaan vahinkojen syntymisen edellytyksi.

20

a)PALON

HAVAITSEMINENPALON

KSISAMMUTUSPALON SAMMUMINEN

ITSESTN LOPPUTILA

ONNISTUU

ONNISTUU

KYLL

EI ONNISTU

EI

KYLL

EI ONNISTU

EI

TAPAHTUMAT

PALO EI JATKU

PALO EI JATKU

PALO EI JATKU

PALO JATKUU

PALO JATKUU

b)

PALO JATKUUSAVU KRIITTISELL

TASOLLARAKENTEESEEN SYNTYNYT

KRIITTINEN TILA

KYLL

ONNISTUU

KYLL EI

KYLL

EI ONNISTU

EI

KYLL

ONNISTUU

EI EI

KYLL

EI ONNISTU

EI

TAPAHTUMAT c)

PALO JATKUU

RAKENTEESEEN SYNTYNYT KRIITTINEN

TILA

KYLL

KYLL

EI

KYLL

EI

EI

TAPAHTUMAT

Kuva 6. Tyss kytetyt tapahtumapuut. a) tapahtumapuu, jolla analysoidaan palonjatkumista tiettyn ajanhetken, b) tapahtumapuu henkilvahinkojen syntymisen analy-soimiseen ja c) tapahtumapuu omaisuusvahinkojen syntymisen analysoimiseen.

Kuten edell on esitetty, palon havaitsemiseen liittyv haarautumistodennkisyys ar-vioidaan aistinvaraisen ja automaattisen havainnoinnin todennkisyyksien perusteellasek palon sammuttamiseen liittyv haarautumistodennkisyys ksin tapahtuvan sam-muttamisen onnistumisesta. Se seikka, onko stokastisten mitoituspalojen palokuormapalanut loppuun, otetaan huomioon tt prosessia kuvaavan todennkisyysjakaumanavulla, eli palon sammuttamisella tarkoitetaan tss henkilkunnan tai palokunnan (tai

21

sprinklerien) onnistunutta sammutusyrityst. Niden todennkisyyksien arviointi esi-tetn luvussa 6.

Rakenteiden vaurioitumisen todennkisyydet saadaan luvussa 9 laskettavista rakentei-den vaurioitumisen todennkisyyden aikakehityst esittvist jakaumista (terspalkinkuvasta 16 ja liimapuupalkin kuvasta 17).

Kaikki systeemiss tarkasteltavat tapahtumat ja prosessit kuvataan ajasta riippuvina, so.tarkasteluista saadaan tuloksena tietyn tapahtuman tai prosessin todennkisyys ajanfunktiona. Aikariippuvuus voidaan esitt vain muutamissa pisteiss (esim. palon sam-muttamisen todennkisyys) tai jatkuvana kyrn (esim. luvussa 9 esitetyt rakenteenvaurioitumisen kertymfunktiot). Nist ajasta riippuvista kuvauksista saatavia toden-nkisyyksi kytetn tapahtumapuiden haarautumispisteiss. Kuva 7 pyrkii havain-nollistamaan tapahtumien ja prosessien aikariippuvuuksien tulosten yhteytt tapahtuma-puihin.

aika 120 min

aika 60 min

aika 30 min

aika 15 min

aika 10 min

aika 5 min

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120aika (min)va

urio

itum

isto

denn

ki

syys

Kuva 7. Esimerkki eri tapahtumien ja prosessien kehittymist koskevien tulosten yhdis-tmisest tapahtumapuihin: rakenteiden vaurioitumistodennkisyyksien aikariippu-vuuden syttminen henkil- tai rakennevahinkojen analysointiin kytettyihin tapahtu-mapuihin.

2.5.3 Palon aikakehityksen laskeminen kyttmll eri hetki kuvaavientapahtumapuiden informaatiota

Tapahtumapuut kuvaavat palon kehityst tietyll ajanhetkell (aikavlill) sill ehdolla,ett palo ei ole sammunut kyseess olevaa hetke ennen. Jos palo on jo sammunut en-nen tietty hetke, niin sen aikakehityksen kuvaamiseen ei en tarvita tapahtumapuuta.

22

Palon kehittymisen kannalta trket tapahtumat eli tapahtumat, jotka esiintyvt tapah-tumapuissa, voivat tapahtua samanaikaisesti (samalla aikavlill) tai eri ajanjaksoilla.Jlkimmisess tapauksessa on itsestn selv, ett tllin joudutaan yhdistmn eriaikoihin liittyvi tapahtumien todennkisyyksi yhteen. Mutta mys vain yhden ajan-jakson aikana tapahtuvaan palon sammumiseen johtavan tapahtumaketjun tapauksessa(esim. palo huomataan ja henkilkunta onnistuu sammuttamaan sen samalla ajanjaksol-la) pit tapahtuman todennkisyyden laskennassa ottaa huomioon mys aikaisempienajanhetkien tilanne. Esimerkiksi palokunta ei voi onnistua sammuttamaan paloa, elleipaloa ole huomattu.

Tiettyyn ajanjaksoon liittyv tapahtumapuu kuvaa siis vain siihen hetkeen liittyvi eriprosessien todennkisyyksi sill ehdolla, ett kyseinen prosessi on viel mahdollineneli esimerkiksi palo ei ole viel sammunut. Tarkastellaan esimerkkin henkilkunnansuorittamaa alkusammutusta. Oletetaan tmn alkusammutuksen tapahtuvan samaanaikaan, kun palo havaitaan, eli tarkasteltava tapahtuma olkoon: henkilkunta havaitseeja sammuttaa palon ajanjaksolla 510 minuuttia. Hetkeen 510 minuuttia liittyvsttapahtumapuusta saadaan todennkisyydet h ja k havaitsemiselle sek sammuttamisenonnistumiselle. Kertomalla nm kaksi lukua keskenn saadaan todennkisyys, ettkyseinen tapahtuma tapahtuu, jos palo ei ole sammunut aikaisemmin. Olkoon meillvaikkapa 100 palotapahtumaa. Huomattakoon niist 30 kappaletta ensimmisen 5 mi-nuutin aikana, jolloin hetkell 5 minuuttia on vain jljell 70 paloa, jotka voidaan ha-vaita ja sammuttaa 510 minuutissa, eli tapahtumamme todennkisyydeksi saammesiis (70/100)hk = 0.7hk.

Tarkasteltaessa ajasta riippuvia tapahtumapuita pit muistaa, ett puissa esiintyvt haa-rautumistodennkisyydet ovat siis kyseiseen aikavliin liittyvi ehdollisia todennki-syyksi kullekin tapahtumalle. Ne kertovat tapahtumien todennkisyydet sill ehdolla,ett systeemi on tietyss tilassa kyseisen aikavlin alkaessa. Jotta nist ehdollisista to-dennkisyyksist (tapahtuu B, jos A on jo tapahtunut) saataisiin itse tapahtuman to-dennkisyyksi (tapahtuu A ja sen jlkeen B), niin ehdollinen todennkisyys pitkertoa tapahtuman A todennkisyydell: P[A ja B] = P[B ehdolla A]P[A].

Tulipaloa voidaan tarkastella satunnaisprosessina. Mritelln systeemillemme tilat,joissa se voi olla kullakin aikajaksolla. Esimerkkein tiloista olkoon vaikkapa tila, jossapalo on huomattu, henkilkunta eponnistunut alkusammutuksesta mutta palokunta on-nistunut, sek tila, jossa paloa ei ole havaittu ja palokuorma ei ole viel palanut loppuun(palaa). Eli jokaista tapahtumapuun haaraa vastaa yksi tila. Nm tilat ovat toisensapoissulkevia, eli systeemi voi olla vain yhdess tilassa kerrallaan, sek tilat muodostavattydellisen joukon, eli systeemin on oltava pakostakin jossakin tilassa. Tmn satun-naisprosessin kuvaamiseen tarvitaan tietoa systeemin eri tilojen vlisist siirtymisist janiiden todennkisyyksist. Esimerkiksi palo, jota ei ole havaittu, voidaan havaita ja

23

onnistua sammuttamaan henkilkunnan toimesta edell kytetyill merkinnill toden-nkisyydell hk tietyll aikavlill. Mallinnettaessa paloa ajasta riippuvilla tapahtuma-puilla havaitaan, ett nm siirtymt eri systeemin tilojen vlill riippuvat vain kulloi-sestakin ajanhetkest (eli kyseisen aikavlin tapahtumapuun haarautumistodennki-syyksist). Tllaista satunnaisprosessia, jolla ei ole muistia, kutsutaan Markovin proses-siksi. Markovin prosessin tulevien tilojen todennkisyydet riippuvat vain systeemintilojen todennkisyyksist nykyhetkell.

Tss tyss on ajasta riippuvat tapahtumapuut yhdistetty formuloimalla palon kehitty-minen Markovin prosessin avulla. Nin systeemin eri tilojen todennkisyyksien aika-kehityksen kuvaaminen voidaan esitt systeemin eri tilojen vlisin siirtymin, jotkaovat laskettavissa helposti Markovin prosessin mahdollistamalla matriisiesityksell.Kutakin aikajaksoa vastaa kyseiseen tapahtumapuuhun liittyvist haarautumistodenn-kisyyksist muodostettava Markovin siirtomatriisi,ja systeemin tila seuraavalla ajan-hetkell saadaan yksinkertaisesti kertomalla systeemin nykyhetken todennkisyysvek-tori tll matriisilla. Toistettaessa nin alkutilasta (hetkest, jolloin palo syttyy) ainaviimeiseen ajanhetkeen (60120 minuuttia tss tyss) saadaan selville systeemin eritilojen todennkisyydet joka ajanhetkell ja siten mys paloon liittyvt riskitkin. Palonaikakehityksen laskemista ksitelln yksityiskohtaisemmin liitteess F.

2.6 Rakennus ja tarkastellut uhkakuvat

Tss tyss tarkasteltiin yksikerroksista teollisuusrakennusta, joka esitelln luvussa 3.Eri uhkakuvat tss rakennuksessa liittyvt tulipalojen paikan ja kasvunopeuden1 seksen miehityksen eri vaihtoehtoihin. Paloskenaarioissa tarkastellaan tietyss paikassa,rakennuksen keskell, palavaa tulipaloa, jonka voidaan katsoa edustavan pahinta mah-dollista tulipaloa. Palon kasvun nopeutta koskien tarkasteltiin kahta vaihtoehtoa: no-peasti kehittyv paloa ja normaalilla-hitaalla nopeudella kehittyv paloa (ks. luku 4).Paloskenaarioita on siis kaksi kappaletta. Miehitykseen liittyvi vaihtoehtoja on kolme.Tarkasteltujen uhkakuvien lukumr on siis 6.

Kunkin uhkakuvan puitteissa on tutkittu, miten erilaiset kattorakenteiden ratkaisut vai-kuttavat paloriskeihin: on tarkasteltu

1 On huomattava, ett ers ajasta riippuvan tapahtumamallin ominaispiirteit on se, ett palon voimak-kuutta (palotehoa) ei lyd lukkoon paloskenaariota spesifioitaessa, vaan erisuuruisten palotehojen tar-kasteleminen tehdn mallin sisll, ks. kohta 4.2.

24

kolmea erilaisen kantokyvyn omaavaa terspalkkia (muuttuvana tekijn profiilinpoikkileikkaustekijn arvo) ja

kahta eri kantokyvyn omaavaa liimapuupalkkia (muuttuvana tekijn palkin pituus).

Kaikkiaan tarkasteltujen eri vaihtoehtojen lukumr on uhkakuvien lukumr kerrot-tuna rakenneratkaisujen lukumrll, eli 6 6 = 36.

25

3. Tarkastelun kohderakennus

3.1 Rakennuksen koko, kytt ja palontorjunta

Tarkasteltava rakennus on yksikerroksinen teollisuushalli, jonka pituus on 105 m, le-veys 48,3 m ja keskimrinen korkeus 8 m. Kohdetta on kytetty esimerkkikohteenamys muissa tutkimuksissa, esim. Anu Paavilaisen diplomityss [Paavilainen 1996].Hallin kantavat rakenteet (palkit ja pilarit) on tehty terksest. Ulkoseint ovat kevyt-betoniharkkoja, ja katto on peltiprofiilia, jonka alapintaan on kiinnitetty akustolevyt.

Hallin pinta-ala, noin 5 070 m2, muodostaa kytnnllisesti katsoen yhden avoimentilan, josta on liikuteltavilla seinmill erotettu varastointi- ja tytiloja. Tilan keskellsijaitsee toimistokoppi. Hallin kahdella seinll on erillisin tiloinaan puku- ja varasto-huoneita. Kahdella muulla seinll on laboratorio-, ruokailu- ja vapaa-ajantiloja seksuoja-alue. Halli on yhdistetty kytvll viereiseen toimistorakennukseen.

Hallissa valmistetaan metallituotteita. Tihin kuuluu tyypillisesti metallin leikkausta,levyjen profilointia, hitsausta ja kokoonpanoa. Hallissa on kuusi shkkyttist truk-kia. Tyss [Paavilainen 1996] hallin palokuorman tiheydeksi arvioitiin 94 MJ/m2. Pa-lokuorma koostuu ljyist, maaleista, pakkausmateriaaleista ja tyhjist puisista kuor-malavoista. Paikallisesti palokuorma on keskittynyt pakkaus- ja varastointitiloihin.

Tss tyss teollisuushallia tarkastellaan paloluokkaan P2 rakennettuna rakennuksena.Toimintojensa puolesta rakennuksen palovaarallisuusluokka on 1 ja sen paloturvalli-suussysteemit vastaavat suojaustasoa 2. Kantavien tersrakenteiden palonkestoluokaksiriitt tllin R 15.

Palontorjuntaan hallissa on saatavilla sammutusvett ja ksisammuttimia. Palohlytysvoidaan antaa ksikyttisesti eri puolilla rakennusta sijaitsevien hlytyspainikkeidenavulla. Palohlytys kuuluu hlytysnen. Hallissa on automaattinen paloilmaisujrjes-telm, joka perustuu lmpilmaisimiin. Savu- tai kaasuilmaisimia ei ole kytss. Hallinsavunpoistojrjestelm aktivoituu lmpilmaisimien toimesta. Rakennuksessa ei olesprinklerisysteemi.

Tyskentely hallissa tapahtuu psntisesti arkipivisin aamulla ja pivsaikaan elimaanantaista perjantaihin kello 6 ja 14 vlisen aikana. Tllin hallissa on noin60 henkil jakautuneena tasaisesti koko hallin alueelle. Arkipivisin kello 14 ja 22vlill hallissa voidaan olettaa olevan noin 5 henkil tyskentelemss jollain rajatullaalueella. isin (kello 226) ja viikonloppuisin (perjantai-illasta kello 22:sta maanantai-

26

aamuun kello 6:een) hallissa ei ole ketn. Hallin toiminta-ajat ja miehitys esitetntiivistettyn taulukossa 1.

Taulukko 1. Hallin toiminta-ajat ja miehitys.

Aika Henkil-mr

Henkiliden jakau-tuminen

Paino-kerroin1)

W2,k

Lyhenne

arkisin 614 60 tasaisesti koko halliin 0.238 T1arkisin 1422 5 tietyiss typisteiss 0.238 T2isin ja viikonloppuisin 0 0.524 T31) Painokertoimet ovat kunkin miehitysluokan ajallisia osuuksia, esim. T1-luokan painokerroin 0.238saadaan jakamalla tt luokkaa vastaava kokonaisviikkoaika (5 8 tuntia = 40 tuntia) viikon kokonaistun-timrll (168 tuntia).

Riskianalyysiss tarkastellut uhkakuvat jaotellaan rakennuksen miehityksen ym. suhteenluokkiin T1, T2 ja T3.

3.2 Tarkasteltavat rakenteet

Kohderakennus luo realistisen pohjan rakenteiden kestvyyden tarkastelulle. Tsstyss ei kuitenkaan tehd kyseisen kohteen olemassa olevien palonkestvyyden riski-analyysi, vaan tarkastelussa kytetn niit yksinkertaisempia kuvitteellisia rakenteita.Tllin tyn ydin eli itse tulipaloon ja sen vaikutuksiin liittyvt mallit ja menetelmttulevat selvsti esiin hukkumatta monimutkaisten rakenteiden ksittelyn vaatimiin pit-kllisiin tarkasteluihin.

Tss tyss tarkastellaan kahta kantavan rakenteen ratkaisua: terspalkkia ja liimapuu-palkkia. Kummankin rakenteen oletetaan olevan palosuojaamaton. Sen tutkimiseksi,miten erilaiset rakennevaihtoehdot vaikuttavat paloturvallisuuteen, tarkasteltiin tysstersrakenteesta kolmea erilaista palkkia, jotka poikkeavat toisistaan poikkileikkauste-kijittens suhteen, ja puurakenteesta kahta liimapuupalkkia, jotka ovat eripituisia (10 mja 12 m). Yhteenveto eri rakennevaihtoehtojen oleellisimmista tiedoista esitetn taulu-kossa 2.

27

Taulukko 2. Tarkastellut rakennevaihtoehdot ja niiden palonkestoajat.

Rakenne Vaihdeltuominaisuus

Palonkesto-aika (min)

Palonkestoajan mritystapa

Terspalkki F/V 100 m-1 19 Normin B7 mukaan, ks. liite ATerspalkki F/V 150 m-1 15 samaTerspalkki F/V 350 m-1 10 samaLiimapuu-palkki

pituus 10 m 55 Normin B10 menetelmien mukaan kyt-ten apuna Monte Carlo -simulointia jaliitteess D esitetty hiiltymismallia

Liimapuu-palkki

pituus 12 m 40 sama

28

4. Tarkastelun perustana oleva tulipaloTulipaloa kuvataan kytten mitoituspaloa [Keski-Rahkonen 1996]. Se on analoginenesimerkiksi kantavien rakenteiden suunnittelussa kytettvn ennalta valitun mitoitus-kuormituksen kanssa. Mitoituspaloa kuvataan sen palotehon aikakehityksell, jossaotetaan huomioon palon kasvunopeus, tysin kehittyneen palon tuottama paloteho japalamisen hiipumisvaihe.

Tss tarkastelussa kytettv mitoituspalo on valittu lhinn piten silmll rakentei-den kantavuutta. Niiden kannalta pahin uhkakuva on suuri, voimakkaasti rakenteitalmmittv tulipalo. Hallissa mahdollisista paloista on aiemmissa tutkimuksissa [Paa-vilainen 1996] havaittu voimakkaimmaksi kuormalavapinon palo. Tss tyss keski-tytn tarkastelemaan tt palotilannetta. Mitoituspalon oletetaan olevan paikallinen,sill hallin lieskahtaminen on eptodennkist, koska siihen vaadittaisiin hyvin suuripalo. Palon oletetaan saavan alkunsa siten, ett kuormalavapinon lhell oleva trukkisyttyy tuleen.

Mitoituspaloa ksitelln tss tyss normaalia kytnt laajemmalla tavalla. Kunmitoituspaloa sen normaalissa soveltamisessa tarkastellaan deterministisen tapahtuma-na eli voimakkuudeltaan ja kestoltaan tietyn suuruisena palona, niin tss tyss mitoi-tuspaloa tarkastellaan stokastisena tapahtumana, jonka voimakkuus ja kestoaika vaihte-levat tietyiss rajoissa. Mitoituspaloa ja sen vaihtelevuuden kuvaamista tarkastellaanlhemmin kohdissa 4.1 ja 4.2.

4.1 Kuormalavapinon palamisen deterministinen kuvaus

Kuormalavojen palamista on tutkittu varsin paljon [Krasner 1968, Babrauskas 1995] jase tunnetaan varsin hyvin. Oleellisimmat tekijt, jotka vaikuttavat palavan kuormalavanluovuttamaan lmpn, ovat lavapinon korkeus hp, lattiapinta-ala Ap, puun kosteus Mp japuun tehollinen lmparvo Hc. Niden vaikutus palavasta pinosta vapautuvaan huip-pupalotehoon maxQ voidaan kiteytt seuraavasti [Babrauskas 1995]:

%02701

m14,21

mkgMJ65

kW 2max pppc

Q

M,-

hAHQ

.(1)

Kaavasta (1) voidaan laskea esimerkiksi, ett kuormalavapino, jonka korkeus on 2 m,puun kosteus 10 % ja lattiapinta-ala 5 m2, voi voimakkaimman palamisen aikana luo-vuttaa lmp noin 18,5 MW:n teholla.

29

Tekij Q kaavassa on tss tyss kytetyn tilastollisen lhestymistavan vaatima lisys.Se kuvaa kyseiseen palotehon laskentamalliin liittyv epvarmuutta. Kyseinen malli-han on johdettu kokeellisista tuloksista, joissa on poltettu suuri joukko erikokoisiakuormalavoja. Koska koetuloksissa on hajontaa, eivt mallin parametritkaan (luvut 65,2,14 ja 0,027 kaavassa (1)) ole eksakteja lukuja, vaan koetulosten hajonta kulkeutuumys niihin. Kyseiset parametrit ovat siis satunnaislukuja, joiden keskiarvon estimaat-teja yll mainitut luvut ovat. Niille voitaisiin koetulosten analysoinnissa johtaa hajonnanestimaatit ja jos kokeellisen tiedon mr olisi riittvn suuri mys jakaumat. Edeshajonta-arvojen suuruutta ei kuitenkaan ole kirjallisuudessa annettu. Siksi kaavaan (1)liittyv epvarmuutta on paremman puutteessa kuvattu yhdell satunnaismuuttu-jalla Q.

Kuormalavapinon palotehon aikariippuvuutta voidaan kuvata yleisesti kytss olevanmitoituspalojen ksittelytavan mukaan jakamalla palo kolmeen vaiheeseen, kasvuvai-heeseen, tysin kehittyneen palon vaiheeseen ja palon hiipumisvaiheeseen [Keski-Rahkonen 1996] .

Kasvuvaiheessa palon oletetaan kehittyvn nelillisesti ajan mukana (t2-malli):

1

2

00 kun,)( ttt

tQtQ

.

(2)

Tysin kehittyneen palon aikana palotehon voidaan olettaa olevan likimain vakio (elihuippuarvo)

21max kun,)( tttQtQ . (3)

Hiipumisvaiheessa paloteho vhenee huippuarvostaan eksponentiaalisesti aikavakiolla

22

max kun,exp)( ttttQtQ

. (4)

Niss yhtliss 0Q on referenssipaloteho, jonka arvoksi on valittu 1 MW ja t0 on pa-lon kasvuaika eli aika, jossa paloteho saavuttaa arvon 0Q .

Nelillisesti ajan funktiona kasvavat palot voidaan jaotella kansainvlisen kytnnnmukaan neljn nopeustyyppiin:

hitaasti kasvava palo: t0 = 600 s

normaalisti kasvava palo: t0 = 300 s

30

nopeasti kasvava palo: t0 = 150 s

erittin nopeasti kasvava palo: t0 = 75 s.

Kun kasvuaika t0 kiinnitetn johonkin yll mainituista arvoista, j edell kuvattuunmalliin kolme mrmtnt parametria, ajat t1 ja t2 sek hiipumisaika . Ajanhetki t1ja t2 tarkasteltaessa on huomattava, ett on mahdollista mys, ett palo saavuttaa hiipu-misvaiheen, ennen kuin sen kasvuvaihe on pttynyt. Palo voi siis edet kahdella toi-sistaan poikkeavalla tavalla:

Tapaus I, jossa 21 tt : tllin paloteho psee kasvamaan maksimiarvoonsa asti.

Tapaus II, jossa 21 tt : tllin paloteho ei psee kasvamaan maksimiarvoonsa asti.

Nit eri tapauksia havainnollistetaan kuvassa 8.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60

tapaus Itapaus II

aika (min)

palo

teho

(MW

)

Kuva 8. Palokyrn kaksi eri tapausta: tapauksessa I tulipalo palaa tietyn rellisenmittaisen ajan huipputehollaan ennen hiipumistaan, ja tapauksessa II palaminen alkaahiipua heti, kun palo on saavuttanut huipputehonsa. Tapauksen I parametrit ovatt0 = 150 s, = 200 s ja t1 = 2240 s. Aika t1 on mritetty siten, ett palamisessa vapau-tuneeksi kokonaisenergiaksi tulee 100 000 MJ. Tapauksessa II parametri t2 = 957 s onvalittu siten, ett kokonaisenergia on noin neljnnes tapauksen I palotehosta.

Mrmttmien parametrien kiinnittmiseksi voidaan muodostaa kaksi yhtl. En-simminen yhtl saadaan helposti kaavojen (2) ja (3) avulla:

31

2

0

10max

ttQQ .

(5)

Toinen yhtl saadaan vaatimalla, ett palotehokyrn integraali yli koko palon ajan onsama kuin palaneen massan mtot kautta laskettavissa oleva palamisessa vapautunutkokonaisenergia Qtot = Hcmtot.

max12312

0

031 Qttt

tQmHQ totctot

, tapaus I

(6)

max322

0

031 Qt

tQmHQ totctot

, tapaus II

(7)

4.2 Palon kuvaaminen stokastisena tapahtumana:Monte Carlo -simulointi

Yll kuvatuin keinoin voidaan kuvata tietyn kuormalavan palamista: kun valitaan pala-miseen vaikuttavat parametrit jonkin kriteerin mukaan, saadaan laskettua koko palonaikakehitys. Kytnnss kuitenkin palamista kuvaavat suureet vaihtelevat: lavapinonsuuruus (korkeus ja lattiapinta-ala) vaihtelevat, puun kosteus muuttuu ja mahdollisestialkaneen palon kasvaminen ei tapahdu samalla nopeudella, vaikka muut tekijt pysyisi-vtkin samoina. Mys palotehon laskemiseen kytetty malli ei ole tarkka vaan sisltepvarmuutta (tss tarkastelussa malliepvarmuus on sisllytettyn parametriin Q,kuten edell selitettiin).

Pyrittess arvioimaan paloriskej juuri niiden tapausten suhteellinen lukumr onmerkityksellinen, joissa useimmat palamiseen vaikuttavat parametrit saavat epsuotuisiaarvoja eli, kun palo kasvaa nopeasti suureen palotehoon, joka jatkuu pitkn aikaa.Monte Carlo -simulointi on sopiva tykalu tllaiseen tarkasteluun. Monte Carlo-simulointitekniikka esitetn lyhyesti liitteess A.

Monte Carlo -simuloinnissa kydn tutkittavasta ilmist laskennallisesti lpi suurijoukko tapauksia, jotka voivat lhttietojen puitteissa olla mahdollisia. Tmn jlkeenlaskentakertojen tulokset analysoidaan tilastollisesti ilmin todennkisyyteen ja ta-pahtumistaajuuteen liittyvien nkkohtien esille saamiseksi. Tiivistetyin tapa esittsaatu informaatio on muodostaa ilmit kuvaava todennkisyysjakauma, yleens ker-tymfunktion muodossa.

32

4.2.1 Simuloinnin suoritus

Kuvassa 9 on kaaviollinen esitys palotehon Monte Carlo -simuloinnista. Simuloinnissakytetyt parametrit, niiden luonne (vakiosuure tai satunnaismuuttuja) ja satunnaismuut-tujina ksiteltyjen muuttujien jakaumat esitetn taulukossa 3. Kaikkia satunnaismuut-tujia on ksitelln tasajakautuneina suureina, koska niiden jakaumista ei tll hetkellole kytettviss parempaa tietoa.

Kuva 9. Palotehon Monte Carlo -simuloinnin kaaviokuva. Kuvan esittm sykli toiste-taan useita kertoja (tyypillisesti 10 000100 000 kertaa).

Tallennetaanpalotehokyr

Lasketaan paloteho ajanfunktiona kaavojen (1)(7)avulla kytten valittujaparametriarvoja

Valitaan satunnaisesti palamistakuvaavat parametrit pinon korkeus hp lattiapinta-ala Ap puun kosteus Mp tehollinen lmparvo Hc palon kasvuaika t0 ajanhetket t1 ja t2 aikavakio mallin epvarmuusparametri Q puun tiheys w

33

Taulukko 3. Palotehon Monte Carlo -simuloinnissa kytetyt parametrit.

Parametri Luonne Oletettu jakauma tai arvo

lavapinon korkeus hp riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 15 m

lattiapinta-ala Ap riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 220 m2

puun kosteus Mp vakio 10 %

puun tehollinen lmparvoHc

riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 1218 MJ/kg

palon kasvuaika t0 riippumatonsatunnaismuuttuja

nopea palo: tasajakauma,120180 s

normaali tai hidas palo: tasa-jakauma, 300600 s

palon kasvuvaiheenloppumishetki1) t1

laskettusatunnaismuuttuja

parametri t1 mrytyy yhtln (5)mukaisesti

palon hiipumisvaiheenalkuhetki t2 (tapaus I) taikasvuvaiheen loppuhetki(tapaus II)

laskettusatunnaismuuttuja

parametri t2 mrytyy muistaparametreista kaavojen (6) ja (7)esittmill tavoilla

palon hiipumisaikavakio laskettusatunnaismuuttuja

mrytyy t0:sta liitteess Besitetyll tavalla

mallin epvarmuutta ku-vaava parametri2) Q

riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 0,91,1

puun tiheys p vakio 500 kg/m3

1) Vain tapauksen I tyyppiset palot.2) Perusteena mallin epvarmuudeksi oletettu 10 %.

Palossa syntyneen kokonaisenergian Qtot arvioimiseksi kuormalavapinon oletetaan pa-lavan kokonaan, jolloin palossa hviv massa on sama kuin kuormalavapinon massamp. Pinon sisltmien ilmarakojen osuuden eli huokoisuuden p, avulla kirjoitettunapalaneen pinon tuottama kokonaisenergia Qp on

cppppp HAhQ , (8)

miss p on puun tiheys, jonka arvoksi on oletettu kiinte arvo 500 kg/m3. Pinon huo-koisuus mitattiin kahden kuormalavapinon avulla: tulos oli p = 0,33. Pinon osuuden

34

lisksi otetaan huomioon mys sytytyslhteen, eli trukin, palamisen tuottama pieni liskokonaisenergiaan. Sen oletetaan olevan 4 000 MJ.

Kokonaisenergian avulla saatava rajoitusehto mallin parametreille voidaan siis lausuamuodossa

max12312

0

031400033,0 Qttt

tQMJHAhQQQ cpppignptot

.

(9)

4.2.2 Simuloituja palotehokyri

Kuvassa 10 esitetn joitain esimerkkej palotehon Monte Carlo -simuloinnista. Ver-rattaessa keskiarvoparametreja kytten laskettuun palotehokyrn, kuvan 10a paksuunkyrn, havaitaan, ett parametrien vaihtelevuus voi tuottaa selvsti keskiarvotapaustavoimakkaampia tai pienempi palotapauksia.

a)

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

120

140

160

180

TIME (min)

CO

MP

UT

ED

HE

AT

RE

LEA

SE

RA

TE

(M

W)

t0 = 150 s

b)

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

CO

MP

UT

ED

HE

AT

RE

LEA

SE

RA

TE

(M

W)

TIME (min)

t0 = 150 s

Kuva 10. Esimerkki palotehon Monte Carlo -simulointien tuloksista: a) Monte Carlo-tulokset ja parametrien keskiarvoja kytten laskettu kyr (paksunnettu) ja b) MonteCarlo -tulokset ja niiden keskiarvona saatava kyr (keskimminen paksunnettu kyr)sek yhden keskihajonnan pss keskiarvosta olevat arvot (ylemmt ja alemmat pak-sunnetut kyrt). Simuloinnissa tehtiin 1 000 laskentakertaa kytten taulukossa 3 esi-tettyj parametreja. Tm tapaus kuvaa nopeaa paloa, eli palotehon kasvunopeus onkeskimrin 150 s. Paksulla kyrll on esitetty paloteho, joka on laskettu kytten pa-rametrien keskimrisi arvoja, eli hp = 3 m, Ap = 11 m2, Hc = 15 MJ/kg, t0 = 150 sja Q = 1.

35

5. Palon havaitseminenTulipalon havaitsemiseen sen syttymisest kuluva aika, ht , on ratkaiseva palon kehitty-miseen vaikuttava tekij, kun teollisuushallissa on miehityst, sill tm aika vaikuttaahuomattavasti henkilkunnan alkusammutustoimenpiteiden onnistumiseen. Pivisin,kun hallissa on tysi miehitys, tulipalon alut havaitaan nopeasti aistinvaraisesti ja nepystytn sammuttamaan heti henkilkunnan toimesta. Iltaisin aistinvaraisen havain-noinnin ohella automaattinen hlytysjrjestelm on tarpeen. isin ja viikonloppuisinhavainnointi perustuu automaattisiin hlyttimiin. Tulipalon havaitsemisajalla on mysvaikutusta hallin evakuointiin. Mit nopeammin palo havaitaan, sit paremmat mahdol-lisuudet henkilkunnalla on poistua rakennuksesta turvallisesti. Lisksi palon pikainenhavaitseminen nopeuttaa palokunnan paikalle saapumista, mit ei tss tyss ole kui-tenkaan huomioitu. Palokunnan oletettiin ehtivn sammutustihin vasta kymmenen mi-nuuttia palon alkamisesta, joten palon sammutus kahden ensimmisen aikajaon(0-5 min, 510 min) aikana on yksinomaan henkilkunnan toimenpiteiden varassa.

Tarkasteltavassa teollisuusrakennuksessa tyskentelee arkipivisin noin 60 henkil jaarki-iltoina (1420) viisi henkil. isin rakennus ei ole miehitetty. Rakennuksessa ontulipalon varalta ksikyttiset hlytyspainikkeet, ja rakennukseen on asennettu auto-maattinen hlytysjrjestelm, jossa on lmpilmaisimet (RTI = 100 m1/2s1/2, 68 C toi-mintalmptila). Savu- tai kaasuilmaisimia ei ole. Ilmaisimet ovat hallin katossa 8 m:nkorkeudella lattiasta. Palon havainnointi riippuu oleellisesti palon kasvunopeudesta.Tyss tarkastellaan kahta eri paloskenaariota, joissa toisessa palo kasvaa nopeasti(kasvuaikaparametri 120180 s) ja toisessa palo kasvaa hitaalla-normaalilla nopeudella(kasvuaikaparametri 300600 s), joten palon havainnointiakin tarkastellaan erikseenniss kahdessa tapauksessa.

5.1 Havainnointi aistein

Hitaalla-normaalilla nopeudella kasvavalle palolle on oletettu, ett arkipivisin ihmistenaisteillaan tekemn palon havaitsemisen eponnistumisen todennkisyydet ovat 0.01,0.001 ja 0.0001 ajanjaksoille 5, 10 ja 15 minuuttia. Myhemmill ajanjaksoilla, siis 30,60 ja 120 minuuttia, palo oletetaan havaittavan aistinvaraisesti todennkisyydell 1, elihavainnoinnin eponnistumisen todennkisyys on 0. Arki-iltaisin vastaavat arvot ovat1.0, 0.5 ja 0.1 kolmelle ensimmiselle aikajaolle.

Nopeasti kasvaville paloille todennkisyydet ovat 0.001 ja 0.0 pivisin ja 0.5 ja 0.07iltaisin ajanjaksoille 5 ja 10 minuuttia. Nm arvot ovat taulukossa 4. Lisksi tauluk-koon on merkitty todennkisyydet mys palotehon funktiona. Nit todennkisyyksi

36

palotehon funktioina, tQP , on kytetty laskettaessa aistinvaraisen havainnoinnintodennkisyyksi.

Taulukko 4. Palon aistinvaraisen havainnoinnin eponnistumisen todennkisyydetarkipivisin ja -iltaisin. Todennkisyydet on annettu sek havainnointiajan ett ha-vainnointihetken palotehon mukaan.

Ajan mukaan

Normaalihidaspalonkasvu

Nopea palonkasvu

Palotehon mukaan

pivt illat pivt illat pivt illat5 min 0.01 1 0.001 0.5 1 MW 0.01 110 min 0.001 0.5 0 0.07 4 MW 0.001 0.515 min 0.0001 0.1 0 0 9 MW 0.0001 0.1

30 min 0 0 0 0 16 MW 0 0.07

>30 min 0 0 0 0 36 MW 0 0

Aistinvaraisen palon havainnoinnin onnistumisen Monte Carlo -simuloinneissa palote-hokyrien parametreja varioitiin aivan samoin kuin luvussa 4 on esitetty koskien palote-hon Monte Carlo -simulointia. Jokaista simuloitua palotehokyr kohden saadaan siispalon havaitsemistodennkisyys ajan funktiona kytten taulukosta 4 interpoloimallasaatavia arvoja. Laskemalla kullakin ajanhetkell nist todennkisyyksist keskiarvosaadaan taulukossa esitetyt todennkisyydet palon aistinvaraiselle havaitsemiselle.Monte Carlo -simulointien tulosten tarkastelussa oletettiin, ett havainnointitodennki-syyden maksimin saavuttamisen jlkeen todennkisyys ei lhde pienenemn, vaikkapalotehot laskevat palon loppuvaiheessa.

5.2 Automaattinen havainnointi

Teollisuusrakennus on varustettu automaattisilla lmpn perustuvilla palohlyttimill.Niiden RTI-arvo on 100 m1/2s1/2 ja toimintalmptila, hT , on 68 C. Hallin sislmpti-la, 0T , on 20 C. Palovaroitin on pahimmassa tapauksessa 5 m:n pss tulipeskkeest[Hakanen 1999]. Tulipalon synnyttmn kuuman ilmapatjan lmptilaa katossa malli-tetaan tss kyttmll Alpertin vuonna 1972 esittm mallia [Drysdale 1985], jossakattovirtauksen maksimilmptila lhell kattoa tietyll steittisell etisyydell r pa-lopatsaan keskiakselista saadaan yhtlist

37

HrH

rQTT 18.0,38.532

0max

(10)

ja

HrH

QTT 18.0,9.16 3532

0max

. (11)

Yhtliss paloteho Q on yksikiss kW ja huoneen korkeus H mitattuna palolhteestmetreiss. Palohlyttimen toiminta-ajaksi saadaan olettamalla steady state -tilanne

,1ln0max

0

TTTT

uRTIt hh (12)

miss u on virtauksen nopeus. Kyttmll tt kaavaa yhdess Alpertin kaavojen kans-sa voidaan kullekin hetkelliselle paloteholle laskea automaattiseen hlytykseen kuluvaaika. Kutakin simuloitua palotehokyr kohden valitaan nist ajoista se, jolle summaedell olevasta toiminta-ajasta ja ajasta ko. palotehon saavuttamiseen on pienin. Ninsaadut automaattisen hlytyksen todennkisyydet eri ajanhetkill ovat esitettyn taulu-kossa 5. Huomaa, ett automaattisen palohlytinlaitteiston toimintavarmuus 0.9 onotettu huomioon taulukoiduissa arvoissa.

Taulukko 5. Todennkisyydet, ett palo on havaittu tiettyyn ajanhetkeen menness.Automaattisen havainnoinnin todennkisyyksiss on otettu huomioon hlytinsysteeminoletettu toimintavarmuus 0.9.

Aistit, pivt Aistit, illat Automaattinen

120180 s 300600 s 120180 s 300600 s 120180 s 300600 s

5 min 0.999 0.979 0.5 0 0.56 0.006

10 min 0.99998 0.995 0.93 0.16 0.9 0.420

15 min 1 0.999 0.98 0.52 0.9 0.850

30 min 1 1 1 0.98 0.9 0.9

60 min 1 1 1 1 0.9 0.9

120 min 1 1 1 1 0.9 0.9

38

6. Palon sammuttaminen tai sammuminenitsestn

Tss luvussa esitetn palon sammuttamisen (kohta 6.1) ja itsestn sammumisen ar-viointiin (kohta 6.2) kytetyt menetelmt. Tarkastelujen tulokset on koottu taulukkoon 6.

Taulukko 6. Palon sammumiseen liittyvt todennkisyydet ajasta riippuvissa tapahtuma-puissa. Ksisammutus sislt sek henkilkunnan ett palokunnan sammutusyritykset.

Palon kasvuaika 300600 s

Arkipivt (0614) Arki-illat (1422) Yt ja viikonloput

aika-jakso(min)

Ksisam-mutus eionnistu

Palokuormaei ole loppu-

nut

Ksisam-mutus eionnistu

Palokuormaei ole loppu-

nut

Ksisam-mutus eionnistu

Palokuormaei ole loppu-

nut

5 0.05 1 0.1 1 1 110 0.25 1 0.5 1 1 115 0.01 1 0.01 1 0.01 130 0.9 1 0.9 1 0.9 160 1 0.35 1 0.35 1 0.35

120 1 0 1 0 1 0

Palon kasvuaika 120180 s

Arkipivt (0614) Arki-illat (1422) Yt ja viikonloput

aika-jakso(min)

Ksisam-mutus eionnistu

Palokuormaei ole loppu-

nut

Ksisam-mutus eionnistu

Palokuormaei ole loppu-

nut

Ksisam-mutus eionnistu

Palokuormaei ole loppu-

nut

5 0.25 1 0.5 1 1 110 0.98 1 0.99 1 1 115 0.9 1 0.9 1 0.9 130 1 0.89 1 0.89 1 0.8960 1 0 1 0 1 0

120 1 0 1 0 1 0

6.1 Palon sammuttaminen

Ksintehtvn sammutuksen eponnistumisen todennkisyys riippuu sek henkilkun-nan ett palokunnan eponnistumistodennkisyyksist. Mit isompi palo, sit todenn-kisemp on, ett paloa ei onnistuta sammuttamaan. Palokunnan eponnistumisen to-dennkisyys on 1 siihen saakka, kunnes palokunta on ehtinyt paikalle. Tmn jlkeenpalokunnan eponnistumistodennkisyys kasvaa ajan kuluessa (eli palotehon kasvaes-sa), kunnes lopulta palon sammuttaminen tulee palokunnalle mahdottomaksi. Tm raja

39

on noin 15 MW. Suuremmille paloille palokunnan onnistumistodennkisyys on ase-tettu nollaksi. Palokunnan oletetaan ehtivn paikalle vasta 10 minuuttia palon alustalukien, joten kahdella ensimmisell aikajaksolla (05, 510 min) sammuttaminen onhenkilkunnan harteilla. Henkilkunta onnistuu sammuttamaan palon todennkisyyk-sill 0.95 ja 0.75 nill ajanjaksoilla, jos palo kasvaa kasvutekijll 300 s, eli tllinpaloteho on 1 MW 5 minuutin kohdalla ja 4 MW 10 minuutin kohdalla. Suuremmillepaloille henkilkunnan sammutustodennkisyys on 0. Palokunnan onnistumistodenn-kisyydet 300 s palolle eri ajanhetkin (siis vastaavan kokoisille paloilla) ovat 0.99 ja0.1 aikavleill 1015 min ja 1530 min ja muilla aikavleill 0. Ilta-aikaan henkil-kunnan eponnistumistodennkisyyden on oletettu olevan kaksi kertaa suurempi kuinpivisin eli 0.1 ja 0.5 kahdelle ensimmiselle ajanjaksolle. Palokunnan sammutustehoonei vuorokaudenajalla oleteta olevan vaikutusta.

Edell olevat todennkisyydet olivat siis 300 s omaaville mitoituspaloille. Nopeastikehittyv paloa (aikavakio 150 s) vastaavat todennkisyysarvot on arvioitu 300 s:nnopeudella kasvavan palon arvoista palotehoon suhteuttamalla. Pivisin sammuttamiseneponnistumisen todennkisyyksiksi saadaan nin 0.25, 0.98, 0.90 ajanjaksoille05 min, 510 min ja 1015 min. Hetken 15 min jlkeen palo on kasvanut liian suurek-si, jotta se onnistuttaisiin sammuttamaan. Iltaisin vastaavat todennkisyydet ovat 0.5,0.99 ja 0.9 kyseisille ajanjaksoille.

Taulukkoon 6 on koottuna palon sammuttamisen todennkisyydet eri ajanhetkill.Taulukkoon on merkitty mys todennkisyydet siihen, ett palo sammuu palokuormanloppumiseen. Tllaista tilannetta arvioidaan seuraavassa kohdassa 6.2.. Palo voi siistietyll ajanjaksolla sammua joko palon aktiivisten sammuttamistoimien seurauksena taipalokuorman loppumiseen.

6.2 Palon sammuminen

Palo voi sammua itsestn, kun palokuorma loppuu. Luvussa 4 esitetyll tavalla stokas-tisesti kuvatulle mitoituspalolle voidaan laskea todennkisyysjakaumat ajan funktionasille, ett palo pttyy palokuorman loppumiseen. Palokuorman loppumiseksi voidaantulkita se, kun paloteho alkaa laskea palon loppuvaiheessa. Monte Carlo-simuloinnissa tllaisten tapahtumien todennkisyys eri ajanhetkin saadaan mritet-ty laskemalla niiden palojen osuus kaikista paloista, joiden paloteho on alkanut pie-nenty palotehon huippuarvosta. Kvantitatiivisena kriteerin sammuvalle palolle ky-tettiin tss ehtoa, ett paloteho on laskenut alle puoleen huippuarvostaan.

40

Laskujen tulokset on esitetty kuvassa 11. Todennkisyydet on esitetty palon jatkumi-sen todennkisyyten, eli todennkisyyksin 1-ps (t), miss ps (t) on todennkisyyssille, ett paloteho on laskenut alle puoleen huippuarvostaan.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 15 30 45 60 75 90 105 120

Nopeasti kasvavapaloNormaalisti-hitaastikasvava palo

aika (min)

1-p

s

Kuva 11. Todennkisyys, ett palo ei ole sammunut palokuorman loppumiseen ajanfunktiona kahdelle eri nopeudella kasvavalle palolle. Ohut kyr vastaa paloa, jonkakasvuaika on 300600 s ja paksu kyr vastaa paloa, jonka kasvuaika on 120180 s.

41

7. Poistuminen palavasta rakennuksestaPalotilanteessa rakennuksessa viel sisll olevaa henkilmr voidaan arvioida mo-nin eri menetelmin; tss tyss kytetn erst yksinkertaisimmista malleista, vir-tausmallia [Nelson ja MacLennan 1995], jossa ihmisten liikkumista kuvataan ihmisvir-tauksena. Tss mallissa henkilmr rakennuksessa vhenee lineaarisesti ajan funk-tiona lhtien siit hetkest, jolloin rakennuksen evakuointi aloitetaan. Tm eva-kuoinnin aloittamishetki riippuu sek palon havaitsemisajasta ett reagointiajasta, jokaon hlytyksest ihmisten liikkeelle lhtemiseen kuluva aika.

Henkilmr rakennuksessa poistumisen aikana, )(tN p ,voidaan laskea kyttmllkaavaa

,)( 0 rhppp tttFNtN . (13)

miss 0pN henkilmr ennen hlytyst, ht palon havaitsemiseen kuluva aika ja rtreaktioaika. Poistumiseen kuluvaksi ajaksi saadaan siis ppm FNt

0 , eli rakennus on

tyhj ajan mrh ttt kuluttua palotapahtuman alusta mitattuna. Yll olevassa henkil-mrn )(tN p lausekkeessa aikaa mitataan palon syttymisest, eli ajalta t vaaditaan,ett se on vlill mrhrh tttttt . Rakennuksesta poistuvien henkiliden virtauk-sen suuruus, pF , riippuu henkiltiheydest D (henkillukumr nelimetri kohden) japoistumisteiden yhteenlasketusta leveydest eW (metreiss)

ep WDDvF 266.010 . (14)

Laskelmissa kytettiin nopeusparametrille v0 arvoa 1.4 m/s ja poistumisteiden yhteen-lasketulle leveydelle rakennuksen pohjapiirroksesta laskettua arvoa We = 9 m

Kuten edell olevista yhtlist nhdn, rakennuksessa olevien henkiliden lukumrriippuu palon havaitsemishetkest, joka on satunnaismuuttuja. Tmn vuoksi mys hen-kilmrst tulee satunnaismuuttuja. Palon havainnointiajan todennkisyysjakaumalaskettiin kyttmll Monte Carlo -tekniikkaa ottamalla huomioon sek aistinvarainenhavainnointi ett automaattisten hlyttimien toiminta luvussa 5 kuvatulla tavalla.

Mys reaktioaika ja ihmisvirtauksen suuruus ovat todellisuudessa satunnaismuuttujia,mutta niit on pidetty ennalta annettuina vakioina tss tyss. Ihmisvirtauksen nopeu-den kaavan parametrille 0v on kytetty siis edell mainittua vakioarvoa ja reaktioajanpituudelle kytetty kahta eri vakioarvoa palon kasvunopeudesta riippuen, sill ihmistenreaktioiden on oletettu olevan nopeampia nopeasti kasvavassa palossa kuin hitaamminkasvavassa palossa. Tm on otettu huomioon poistumislaskelmissa siten, ett kasvu-ajan 120180 s omaaville paloille oletettiin reaktioajan tr olevan 1 min ja hitaammin

42

kehittyville, kasvuajan 300600 s omaaville paloille, ajan tr oletettiin olevan 2 minuutinpituinen.

Kytten yll annettuja parametriarvoja ja luvussa 5 stokastisesti mritettyj havain-nointiajan arvoja voidaan kaavan (13) avulla laskea kullakin ajan hetkell hallissa ole-vien henkiliden lukumrn odotusarvo, joka esitetn graafisesti kuvassa 12 ja luku-arvoina taulukossa 7. Nhdn, ett arkipivisin palon kasvunopeudella ei ole juuri mi-tn vaikutusta henkiliden poistumiseen, kun taas iltaisin sen vaikutus on huomattava.Tm selittyy sill, ett pivsaikaan palo havaitaan aistinvaraisesti hyvin nopeasti pa-lon kasvunopeudesta riippumatta, jolloin automaattisten ilmaisimien toiminta-ajalla eiole merkityst. Iltaisin kasvunopeudella on suuri vaikutus palon aistinvaraiseen havain-nointiin. Tllin myskin paloilmaisimien toiminta-aikojen riippuvuudet kasvunopeu-desta tulevat nkyviin, sill iltaisin paloa ei lheskn aina ehdit havaitsemaan aistin-varaisesti ennen automaattista hlytyst.

a)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Aika (min)

Hen

kil

m

rn

odot

usar

vo

arkisin, klo 06-14, nopeaarkisin, klo 06-14, hidas/normaali

b)

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30Aika (min)

Hen

kil

m

rn

odot

usar

vo

arkisin, klo 14-22, nopeaarkisin, klo 14-22, hidas/normaali

Kuva 12. Poistumislaskelmien tulokset esitettyn rakennuksessa olevien ihmisten luku-mrn odotusarvona a) arkisin kello 0614 ja b) arkisin kello 1422. Miehitystapauk-sessa T3 (isin ja viikonloppuisin) rakennuksessa ei ole henkilit.

43

Taulukko 7. Henkilvahinkoseuraamusten kvantifiointi eri riskianalyysin tarkasteluske-naarioissa: rakennuksessa sisll olevien henkiliden lukumrn odotusarvot eri ajanhetkill, jotka tss tyss kytetyss lhestymistavassa edustavat henkilvahingonsuurinta mahdollista suuruutta.

Rakennuksenmiehitys

Palon kehittymisennopeus, kasvuaika t0 (s)

Aikajakso ja sit vastaava seu-raamuksen maksimisuuruus

5 min 31.481

10 min 0.561

15 min 0.002

T1klo 0614

120180

30120 min 05 min 36.15210 min 1.82015 min 0.29330 min 0.002

T1klo 0614

300600

60120 min 05 min 4.16310 min 1.29715 min 0.11830 min 0.002

klo T21422

120180

60120 min 05 min 5.00010 min 4.67815 min 2.65530 min 0.00160 min 0.001

T2klo 1422

300600

120 min 0T3

yt + viikonloput120180 5120 min 0

T3yt + viikonloput

300600 5120 min 0

44

8. Rakennuksen tyttyminen savullaSuurin osa tulipalokuolemista johtuu savumyrkytyksest. Lisksi palotilan ja siihenliittyvien tilojen tyttyminen savulla haittaa tiloista poistumista: nkyvyys pienenee,savun sisltmien kaasujen hengittminen voi heikent henkist ja fyysist toimintaky-ky. Mys kuuman savukerroksen tuottama lmp voi haitata poistumista.

Tss tyss rakennuksessa olevan savun mr kytetn apuna henkilvahinkojensyntymist arvioitaessa. Savun merkityksen kvantitatiivinen arviointi perustuu tssluvussa esitettvn yksinkertaiseen tarkasteluun rakennuksen savuisuuden kehittymi-sest.

Rakennuksen savuisuutta kuvataan tulipalon aikana muodostuvan savuisen kerroksenkorkeuden avulla. Savukerroksen korkeuden oletetaan tulevan kriittiseksi henkilvahin-kojen kannalta, kun tila tyttyy savulla, mik tarkoittaa tss tyss kytetyn, Lundinyliopistosta [Magnusson ym. 1995] perisin olevan lhestymistavan puitteissa sit, etttilan ylosaan muodostuvan savupatjan alareuna laskeutuu korkeudelle 1,6 m + 0,1HR.Tmn tyn 8 m korkean tilan tapauksessa aika tsm vastaa siis savupatjan laskeutumistakorkeudelle 2,4 m.

Magnussonin mukaan savulla tyttymiseen kuluva aika riippuu palon kehityksest jatilan koosta seuraavasti:

54,0

2

44,052,00

26,0

0

mmskW67,1

s

fRSF

sm AHtQt ,

(15)

miss 10000 Q kW ja t0 palotehon kasvua kuvaavat suureet (vrt. yhtl (2)). Tilan kor-keus on HR ja lattiapinta-ala Af. Parametri SF kuvaa malliin liittyv epvarmuutta.Yll esitetty malli on CFAST-vyhykemalliohjelman laskentatuloksien perusteella luotukorrelaatiomalli. CFAST-ohjelman kelpoisuudesta suurten, korkeiden tilojen paloke-hittymisen mallintamiseen ei kuitenkaan ole riittvsti tietoa, ja siksi mys sit kyttenjohdettu malli (10) ei vlttmtt sovellu kovin hyvin kohderakennuksen savulla tyt-tymisen kuvaamiseen. Sit on kytetty lhinn siksi, ett se antaa arvion tSF:lle yksin-kertaisessa analyyttisessa muodossa. Lisksi toisaalta erillisten palokehityst simuloi-vien tietokoneohjelmien, kuten CFAST:n ja muiden vyhykemalliohjelmien, kytt eiedell mainitusta syyst vlttmtt parantaisi tulosten luotettavuutta.

Tilan savulla tyttymisen Monte Carlo -simuloinneissa kytettiin taulukossa 8 esitettyjparametriarvoja.

45

Eri nopeuksilla kehittyviin paloihin, nopeasti sek normaalin ja hitaan nopeuden vlillkehittyviin paloihin, liittyvi savullatyttymisaikoja esitetn kuvassa 13. Nhdn, ettnopeassa palossa halli tyttyy savulla noin 815 minuutin kuluttua siit, kun palotehoalkaa kasvaa. Savullatyttymisajan jakaumasta voidaan lukea esimerkiksi, ett todenn-kisyys sille, ett halli olisi tynn savua alle 10 minuutissa, on noin 20 %. Kun palokehittyy hitaammin, t0 = 300600 s, mys tilan tyttyminen savulla on hitaampaa,tsm 2035 minuuttia; todennkisyys esimerkiksi sille, ett halli olisi tynn savua alle30 minuutissa, on noin 70 %.

Taulukko 8. Hallin savulla tyttymisen Monte Carlo -simuloinnissa kytetyt parametrit.

Parametri Luonne Oletettu jakauma tai arvo

palon kasvuaika t0 riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma palon kasvunopeutta ku-vaamaan valituilla vleill

hallin korkeus HR vakio 8 m

hallin lattiapinta-ala Af vakio 5 070 m2

parametri SF riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma vlill 0,91,1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40aika (min)

savu

lla t

ytty

mis

en to

denn

ki

syys

t0 = 300-600 s

t0 = 120-180 s

Kuva 13. Tilan savulla tyttymisen todennkisyys kahdelle eri nopeudelle kehittyvllepalolle: normaalihidas palokehitys, t0 on 300600 s ja nopea palokehitys, t0 on120180 s.

46

Koska kohderakennuksessa on automaattinen savunpoistosysteemi, saadaan rakennuk-sen savulla tyttymisen todennkisyydet yhdistmll savunpoistolaitteiston toimimi-sen todennkisyys kuvasta 13 luettavissa oleviin vapaasti kehittyvn paloon liittyviinsavulla tyttymisen todennkisyyksiin. Jos savunpoistosysteemin toimintavarmuudenoletetaan olevan suuruudeltaan 90 % riippumatta palon kehitysvaiheesta, vastaa savun-poiston vaikutuksen huomioon ottaminen kuvasta 13 luettavissa olevien todennki-syyksien kertomista tekijll 0.1.

47

9. Tulipalon vaikutus rakenteisiinTss tyss tutkitaan katon kantavien rakenteiden lmpenemist paikallisessa palossa.Ei-paikallista, lieskahtanutta paloa ei tarkastella. Paikallisen palon kattorakenteisiin ai-heuttaman lmprasituksen perusasetelma esitetn kuvassa 14.

Kuva 14. Kattorakenteiden lmpenemisen perusasetelma paikallisessa palossa: palo-patsaan kuumat kaasut nuolevat rakenteita ja siirtvt lmp niihin konvektiivisenlmmnsiirtomekanismin kautta. Lmp siirtyy rakenteeseen mys steilyn vlityksellkuumista pinnoista ja kuumasta kaasusta. Kuvan esitt FDS-kenttmalliohjelmallalaskettua esimerkki tilanteesta, jossa lattiapinta-alaltaan 9 m2:n suuruinen, 3 m korkeakuormalavapino (korkeampi laatikko) ja sen sytyttnyt trukki (matalampi laatikko) pa-lavat tasaisella noin 15 MW paloteholla. Eri vrit esittvt lmptiloja tilan kohtisuo-raan halkaisevassa leikkaustasossa.

Lmprasitus muodostuu kahdesta komponentista:

Konvektiivinen lmmnsiirto palopatsaan kuumista kaasuista rakenteeseen.

Steilemll kuumista pinnoista ja kuumasta kaasusta rakenteeseen siirtyv lmp.

Seuraavassa esitetn rakenteiden lmpenemiseen kytetyt mallit ja laskennan tulokset.Pmrn laskennassa on mritt rakenteiden pettmisen kannalta kriittisten aikojentodennkisyysjakaumia erilaisille rakenteille ja paloille (eri nopeudella kasvaville pa-loille).

500 C 1000 C20 C 250 C 750 C

8 m

48 m

48

9.1 Terspalkki

9.1.1 Lmprasituksen mallintaminen

Paikallisesta palosta kohdistuu terspalkkiin lmpvirrantiheys, joka sislt sek kon-vektiivisen ett steilyn aiheuttaman osuuden. Lmprasitus ei ole vakio koko palkinmatkalla: se saa korkeimman arvonsa palkin keskikohdassa, johon palopatsas osuu japienenee, kun etisyys keskikohdasta kasvaa. Palkin kantokyky tarkasteltaessa oleelli-sinta on palkin lmpeneminen keskikohdassaan.

Valitaan tarkastelun kohteeksi :n pituinen osa palkin keskikohdasta ja oletetaan senolevan riittvn lyhyt, jotta siihen kohdistuvaa lmpvirrantiheytt netq voidaan pitvakiona. Tllin osan lmptilan Ts aikakehitys mrytyy yhtlst

nets

ss qVF

dtdTC

, (16)

miss s ja Cs ovat terksen tiheys ja ominaislmp. Termi F/V on palkin ulkopinnanlmmnsiirtoon osallistuvan pinta-alan F suhde palkin :n pituisen osan tilavuuteen V.Tss tyss lmmn oletetaan siirtyvn palkkiin joka suunnasta. Tllin F on profiilinulkopiirin sprofiili ja pituuden tulo, F = sprofiili tulo, ja V on palkin poikkileikkauspin-ta-alan Aprofiili ja pituuden tulo, V = Aprofiili . Suhteessa F/V mielivaltaisesti valittupituus siis supistuu pois ja jljelle j vain palkin profiilia kuvaava suure piiri perpoikkipinta-ala.

Terksen lmptilan laskemiseksi tarvitaan malli, jolla kuvataan lmpvirrantiheyttnetq . Tss tyss siihen kytetn Myllymen ja Kokkalan [2000] esittm mallia,

joka perustuu Hasemin ym. [1995] tutkimuksiin paikallisen tuottamista lmprasituk-sista. Tmn mallin mukaan lmpvirrantiheytt netq voidaan kuvata lausekkeella

4411

TTTThqq sscsnet , (17)

miss on terksen emissiivisyys ja hc on lmmnsiirtokerroin palkin pinnalla sek on StefanBoltzmanin vakio (5.67 10-8 Wm-2K-4). Malli on kirjoitettu muotoon, jossakonvektiivista lmmnsiirtoa kuvaavassa termiss esiintyy tunnettu kaukana palkistavallitseva ympristn lmptila T (tyypillisesti esim. 20 C). Kuitenkin todellisuudessakonvektio tapahtuu palkkia vlittmsti ymprivn kaasuun, jonka lmptila Tg onselvsti lmptilaa T korkeampi. Lmptilaa Tg ei kuitenkaan tunneta, ja siksi senkyttminen on kierretty lismll kaavaan vakio , joka ottaa huomioon sen pieneneron, joka syntyy, kun konvektion oletetaan tapahtuvan lmptilaan T. Vakion arvok-si on mritetty kokeiden perusteella noin 0.70.8 [Myllymki ja Kokkala 2000]. Malli

49

on toteutettu siten, ett vakiolla sdetn paikallisesta palosta terkseen suuntautuvalmpvuon tiheys sq vastaamaan Myllymen ja Kokkalan koetuloksia.

Lmpvuon tiheys sq mrytyy palotehosta ja tilanteen geometriasta Hase-min ym. [Hasemi ym. 1995] koetulosten perusteella kehitettyjen kaavojen mukaisesti:

''

7.3exp8.518zHL

zHrq

WHW

Ws ,

(18)

miss r on vaakasuora etisyys nousevan virtauksen stagnaatiopisteest, HW on uumankeskikohdan etisyys palolhteest, LHW on liekin vaakasuora ulottuvuus stagnaatiopis-teest ja z' on palolhteen virtuaalisen origon paikka. Suureet z' ja LHW riippuvat palote-hosta seuraavien kaavojen mukaisesti:

1,14.21,4.2

' 5/23/25/2

QQDQQQD

z

(19)

ja

19.2 4.0 HWWHW QHL , (20)

miss paloteho on sisllytetty palavan pinta-alan tehollisen halkaisijan D sek laipan japalavan alueen reunan vlisen etisyyden HW avulla dimensiottomiksi tehtyihin palote-hosuureisiin DQ ja

HWQ :

25m1100kWD

QQD

, (21)

ja

25m1100kW

WHW H

QQ

.

(22)

50

Taulukko 9. Terspalkin lmprasituksen Monte Carlo -laskuissa kytetyt parametrit.

Parametri Luonne Oletettu jakauma tai arvo

terksen tiheys s vakio 7 850 kg/m3

terksen ominaislmp Cs vakio 500 JK-1kg-1

palkin profiilia kuvaavasuure F/V

muuttuvavakioparametri

50, 100, 1/m

terksen emissiivisyys riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 0.791.0

mallin parametri riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 0.70.8

lmmnsiirtokerroin hc riippumatonsatunnaismuuttuja

tasajakauma, 1540 W/m2

ympristn lmptila T vakio 20 C

Kuvassa 15 esitetn laskettuja terksen lmptiloja profiilille, jonka F/V-arvo on150 m-1, joka vastaa noin 15 minuutin palonkestoluokituksen omaavaa tuotetta. Lasken-nassa on tarkasteltu kahdella eri nopeudella kehittyv paloa: nopeasti kehittyv palo,t0 = 12