Wentylacja oddymiająca w klatce schodowej – kiedy potrzebna jest symulacja CFD?

WSTĘP

Klatki schodowe w budynkach wielokondygnacyjnych pełnią kluczową rolę podczas pożaru – to one stanowią główną, pionową drogę ewakuacyjną dla osób przebywających na wyższych kondygnacjach. Dlatego projektując systemy bezpieczeństwa, należy zadbać, aby w sytuacji wystąpienia zagrożenia były wolne od dymu i zapewniały bezpieczne warunki zarówno dla użytkowników budynku jak i ekip ratowniczych.

CO MÓWIĄ PRZEPISY?

Aby rzucić lepsze światło na kwestie bezpieczeństwa pożarowego w przestrzeni klatek schodowych, należy w pierwszej kolejności zwrócić uwagę na to, co na ten temat mówią zapisy Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2022 r. poz. 1225 ze zm.).

Zgodnie z § 207 ust. 1 budynek i urządzenia z nim związane powinny być projektowane i wykonane w sposób ograniczający możliwość powstania pożaru, a w razie jego wystąpienia zapewniać:

1. zachowanie nośności konstrukcji przez określony czas,
2. ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia i dymu wewnątrz budynku,
3. ograniczenie rozprzestrzeniania się pożaru na sąsiednie obiekty budowlane lub tereny przyległe,
4. możliwość ewakuacji ludzi lub ich uratowania w inny sposób,
5. uwzględnienie bezpieczeństwa ekip ratowniczych.

W przypadku zaznaczonych podpunktów analiza numeryczna z wykorzystaniem symulacji CFD znajduje szczególne zastosowanie. Analizy CFD pozwalają ocenić przepływ powietrza i przemieszczanie się dymu oraz sprawdzić skuteczność projektowanego systemu oddymiania w przyjętych warunkach obliczeniowych. Wyniki należy interpretować w odniesieniu do zastosowanej metodyki, założeń modelu oraz kryteriów oceny.

Natomiast § 245 warunków techniczno-budowlanych w zakresie wymogów stawianych klatkom schodowym, mówi, że:

Klatki schodowe przeznaczone do ewakuacji ze strefy pożarowej:

1. ZL II w budynku niskim (N),
2. ZL I, ZL II, ZL III lub ZL V w budynku średniowysokim (SW),
3. PM o gęstości obciążenia ogniowego powyżej 500 MJ/m2 lub zawierającej pomieszczenie zagrożone wybuchem w budynku niskim (N) bądź średniowysokim (SW) – powinny być obudowane i zamykane drzwiami dymoszczelnymi oraz wyposażone w urządzenia zapobiegające zadymieniu lub służące do usuwania dymu, uruchamiane samoczynnie za pomocą systemu wykrywania dymu.

KIEDY NIEZBĘDNA JEST ANALIZA CFD?

W przypadku projektowania systemu oddymiania klatki schodowej według Wytycznych CNBOP-PIB W-0003:2016 „Systemy oddymiania klatek schodowych” (wyd. II, maj 2019 r.) zasady prowadzenia analiz numerycznych określa rozdział 7. [2]

Zgodnie z pkt 7.1 wytycznych sprawdzenie skuteczności działania systemu za pomocą analizy CFD przeprowadza się, gdy występuje co najmniej jedna z poniższych okoliczności:

• powierzchnia klatki schodowej (AKS) na dowolnej kondygnacji jest większa niż 40 m2,
• przestrzeń klatki schodowej jest połączona z przyległymi korytarzami lub holami i długość dojścia
  z najbardziej oddalonych drzwi do granicy powierzchni obliczeniowej klatki schodowej jest większa niż 5 m (granice powierzchni obliczeniowej klatki schodowej - patrz Załącznik 1 „Wytycznych…”),
• przestrzeń klatki schodowej jest połączona z przyległymi korytarzami i holami o długości dojścia od granicy powierzchni obliczeniowej klatki schodowej do końca korytarza większej niż 10 m,
• szerokość korytarzy połączonych z klatką schodową niewydzieloną przekracza 3 m,
• klatka schodowa charakteryzuje się architekturą inną niż opisana w wytycznych (patrz Załącznik 1 „Wytycznych”),
• powierzchnia pozostałych otworów międzykondygnacyjnych nie spełnia warunku: C ≤ 10% (A+B),
  o którym mowa w rozdziale 6.2 (patrz strona 24 „Wytycznych”),
• powierzchnia duszy schodów nie spełnia warunku: D ≤ 25% (A+B), o którym mowa w rozdziale 6.2 (patrz strona 24 „Wytycznych”),
• klatka stanowi pionową drogę ewakuacji ludzi w budynku wysokim zaliczanym do kategorii zagrożenia ludzi ZL IV,
• napływ powietrza kompensacyjnego w systemie oddymiania grawitacyjnego odbywa się przez dwoje drzwi, w układzie szeregowym, łączących przestrzeń klatki schodowej z przestrzenią zewnętrzną, oddalonych od siebie o więcej niż 5 m.
• nawiew mechaniczny powietrza jest realizowany inaczej niż zapisano w rozdziale 6.5 (patrz strona
  28 „Wytycznych”),
• w budynku wysokim ZL IV występują koryta­rze przyległe do klatki schodowej (nieoddzielone drzwiami).

WAŻNE UWAGI!

• W analizach CFD nie zakłada się pożaru w samej klatce schodowej. Źródło testowe umieszczone jest tam wyłącznie po to, aby ocenić skuteczność oddymiania.
• Symulacje nie mogą być traktowane jako podstawa do zmniejszenia powierzchni czynnej urządzeń oddymiających – służą wyłącznie weryfikacji ich skuteczności.

OPROGRAMOWANIE DO ANALIZ CFD

Do symulacji najczęściej używa się specjalistycznego oprogramowania, takiego jak:

• Fire Dynamics Simulator (FDS),
• ANSYS Fluent,
• SmartFire.

Jednakże dopuszcza się także inne narzędzia, pod warunkiem że ich skuteczność zostanie udowodniona w ramach analizy rozprzestrzeniania się dymu i ciepła w budynkach podczas pożaru.

ANALIZY NUMERYCZNE PRZY PROJEKTOWANIU ZGODNIE Z POLSKĄ NORMĄ

Kolejnym przypadkiem, w którym może być potrzebna analiza obliczeniowa skuteczności oddymiania klatki schodowej jest napływ powietrza kompensacyjnego przez otwory w szeregu. Zagadnienie to opisuje norma PN-B-02877-4:2025-07 w części dotyczącej ewakuacyjnych klatek schodowych w budynkach niskich i średniowysokich (pkt. 4.3). [3]

Dla opisanych w normie układów z dwoma lub trzema otworami w szeregu, odległość między zewnętrznym otworem kompensacyjnym a drzwiami do klatki schodowej nie powinna przekraczać 10 m. Większą odległość można przyjąć, jeżeli analiza obliczeniowa potwierdzi skuteczność działania systemu odprowadzania dymu i ciepła.

Norma wymaga w tym przypadku analizy obliczeniowej, ale nie wskazuje CFD jako obowiązkowej metody jej przeprowadzenia. Symulację CFD można rozważyć jako narzędzie pozwalające uwzględnić rzeczywistą geometrię przestrzeni łączącej otwór zewnętrzny z klatką schodową oraz ocenić przepływ powietrza i usuwanie dymu w przyjętych warunkach. Zakres obliczeń i kryteria oceny powinny odpowiadać temu, co analiza ma potwierdzić.

Próg 10 m określony w PN-B-02877-4:2025-07 należy odróżnić od progu 5 m wskazanego w wytycznych CNBOP-PIB. W metodyce CNBOP napływ powietrza kompensacyjnego przez dwoje drzwi w szeregu, łączących klatkę schodową z przestrzenią zewnętrzną i oddalonych od siebie o więcej niż 5 m, stanowi przesłankę wykonania CFD. Zapis normy PN-B dotyczący analizy obliczeniowej przy przekroczeniu 10 m nie zmienia tego warunku przy projektowaniu według wytycznych CNBOP.

CFD może również wspierać projektowanie rozwiązań, dla których norma odsyła do zasad wiedzy technicznej. Takie odwołania również znajdują się w normie PN-B-02877-4:2025-07 i dotyczą konkretnych sytuacji związanych z oddymianiem klatek schodowych. [3]

W przypadku ewakuacyjnych klatek schodowych w budynkach niskich i średniowysokich (pkt. 4.3), norma nakazuje odwołać się do zasad wiedzy technicznej, jeżeli nie ma możliwości zastosowania klapy dymowej do grawitacyjnego odprowadzania dymu i ciepła. Osobno rozpatruje też brak możliwości zapewnienia grawitacyjnego napływu powietrza kompensacyjnego, wówczas należy zastosować nawiew mechaniczny, którego wydajność również określa się zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. Mechaniczny nawiew powietrza kompensacyjnego przewidziano także dla systemów oddymiania klatek schodowych w budynkach wysokich (pkt. 4.4).

W powyższych sytuacjach symulacja CFD może pomóc ocenić współpracę nawiewu z odprowadzaniem dymu w konkretnej klatce schodowej. Można ją wykorzystać do porównania wariantów rozmieszczenia nawiewu, jego wydajności czy lokalizacji urządzeń odprowadzających dym oraz sprawdzenia, jak przyjęte rozwiązania wpływają na przepływ powietrza i rozprzestrzenianie się dymu.

Samo odwołanie do zasad wiedzy technicznej nie ustanawia jednak ogólnego obowiązku wykonania CFD. Potrzeba symulacji oraz sposób jej przeprowadzenia powinny wynikać z przyjętej metody projektowej i zakresu wymaganej weryfikacji. Jeżeli projektant korzysta w tym celu z wytycznych CNBOP-PIB, powinien uwzględnić określone w nich warunki stosowania CFD, scenariusze obliczeniowe i kryteria oceny skuteczności systemu.

PODSUMOWANIE

Potrzebę wykonania analizy CFD należy oceniać dla konkretnej klatki schodowej, uwzględniając jej geometrię, sposób doprowadzenia powietrza kompensacyjnego oraz przyjętą podstawę projektowania. Wytyczne CNBOP-PIB wskazują przypadki wymagające weryfikacji za pomocą CFD. Z kolei omówione zapisy PN-B-02877-4:2025-07 przewidują analizę obliczeniową lub odwołanie do zasad wiedzy technicznej, co nie oznacza automatycznie obowiązku zastosowania tej konkretnej metody.

Symulacja pozwala ocenić przepływ powietrza i przemieszczanie się dymu oraz sprawdzić, czy projektowany system spełnia przyjęte kryteria skuteczności. Podkreślić należy, że wnioski powinny odpowiadać zakresowi przeprowadzonej analizy. Wyniki służą weryfikacji systemu oddymiania i nie stanowią pełnej oceny warunków ochrony przeciwpożarowej budynku, w tym między innymi bezpieczeństwa ewakuacji

Dlatego potrzebę i zakres obliczeń warto ustalić już na etapie projektowania. Jeśli zastanawiasz się, czy Twoja klatka schodowa wymaga analizy CFD, skontaktuj się z nami. Przeanalizujemy założenia projektu, określimy potrzebny zakres weryfikacji i pomożemy ocenić skuteczność przyjętego rozwiązania.

Źródła:

[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z 2022 r. poz. 1225 ze zm.),

[2] Wytyczne CNBOP-PIB W-0003:2016 „Systemy oddymiania klatek schodowych” (wyd. II, maj 2019 r.).

[3] PN-B-02877-4 Ochrona przeciwpożarowa budynków, Systemy do grawitacyjnego odprowadzania dymu i ciepła, Zasady projektowania