ČÉSKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ

Transkript

1 ČÉSKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb Studijní program: Stavební inženýrství Studijní obor: Integrální bezpečnost staveb Bc. Tomáš Fait ANALÝZA PROVOZU A POŽÁRNÍ BEZPEČNOSTI DIVADEL ANALYSIS OF OPERATION AND FIRE SAFETY IN THEATRES DIPLOMOVÁ PRÁCE Vedoucí práce: Ing. Marek Pokorný, Ph.D. Praha 2013

2 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Thákurova 7, Praha 6 Z A D Á N Í D I P L O M O V É P R Á C E studijní program: Stavební inženýrství studijní obor: Integrální bezpečnost staveb akademický rok: 2013/2014 Jméno a příjmení diplomanta: Zadávající katedra: Vedoucí diplomové práce: Název diplomové práce: Název diplomové práce v anglickém jazyce Bc. Tomáš Fait 124 Konstrukce pozemních staveb Ing. Marek Pokorný, Ph.D. Analýza provozu a požární bezpečnosti divadel Analysis of operation and fire safety in theatres Rámcový obsah diplomové práce: Rozbor skutečných požárů divadel. Zhodnocení požární bezpečnosti vybraných divadel ve vztahu k současně platné legislativě. Cvičná evakuce divadla a její porovnání s numerickým a matematickým modelem. Datum zadání diplomové práce: Termín odevzdání: (vyplňte poslední den výuky přísl. semestru) Diplomovou práci lze zapsat, kromě oboru A, v letním i zimním semestru. Pokud student neodevzdal diplomovou práci v určeném termínu, tuto skutečnost předem písemně zdůvodnil a omluva byla děkanem uznána, stanoví děkan studentovi náhradní termín odevzdání diplomové práce. Pokud se však student řádně neomluvil nebo omluva nebyla děkanem uznána, může si student zapsat diplomovou práci podruhé. Studentovi, který při opakovaném zápisu diplomovou práci neodevzdal v určeném termínu a tuto skutečnost řádně neomluvil nebo omluva nebyla děkanem uznána, se ukončuje studium podle 56 zákona o VŠ č.111/1998 (SZŘ ČVUT čl 21, odst. 4). Diplomant bere na vědomí, že je povinen vypracovat diplomovou práci samostatně, bez cizí pomoci, s výjimkou poskytnutých konzultací. Seznam použité literatury, jiných pramenů a jmen konzultantů je třeba uvést v diplomové práci vedoucí diplomové práce vedoucí katedry Zadání diplomové práce převzal dne: diplomant Formulář nutno vyhotovit ve 3 výtiscích 1x katedra, 1x diplomant, 1x studijní odd. (zašle katedra) Nejpozději do konce 2. týdne výuky v semestru odešle katedra 1 kopii zadání DP na studijní oddělení a provede zápis údajů týkajících se DP do databáze KOS. DP zadává katedra nejpozději 1. týden semestru, v němž má student DP zapsanou. (Směrnice děkana pro realizaci stud. programů a SZZ na FSv ČVUT čl. 5, odst. 7)

3 Místopřísežně prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. V Praze dne Bc. Tomáš Fait III

4 Poděkování Rád bych touto cestou zmínil několik lidí a institucí, kterým bych upřímně poděkoval za podporu při mém magisterském studiu či psaní této práce. V osobním životě bych rád poděkoval mým rodičům, kteří mě po celou dobu studia zajistili výborné podmínky pro studium a podporovali mne v celé jeho délce. Dále bych chtěl poděkovat Zuzaně Jandlové a dalším zaměstnancům divadla Minor za vstřícné jednání a pomoc při cvičení v divadle. V neposlední řadě, patří díky také mým přátelům, kteří mě po celou dobu studia zajistili dostatečnou podporu v osobním i studijním životě. V mém akademickém životě bych hlavně rád poděkoval a vyslovil uznání mému vedoucímu práce, kterým je Ing. Marek Pokorný, Ph.D., za trpělivé konzultace a vyčerpávající rady. Dále bych chtěl vyslovit veliké poděkování řediteli odboru prevence HZS ČR, kterým je pan plk. Ing. Rudolf Kaiser, za věnovaný čas a velmi užitečné informace při konzultacích. IV

5 Obsah PODĚKOVÁNÍ... IV OBSAH... V ANOTACE... VIII ANNOTATION... IX SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK... X 1 ÚVOD Motivace pro diplomovou práci Cíle a struktura HISTORICKÝ A SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY Provoz a požární prevence divadelních zařízení Provoz divadelních zařízení Provoz divadel ve vztahu k požární bezpečnosti Vybrané historické a novodobé požáry divadel Požár Národního divadla Požár divadla Iroquois v Chicagu Požár divadla Globe v Praze Závěr Projektování divadel ve vztahu k požární bezpečnosti Historie požární bezpečnosti divadel Požární úseky Stavební výrobky Požárně bezpečnostní zařízení Únikové cesty Použité matematické programy Fire dynamics simulator (FDS) Argos Consolidated Model of Fire and Smoke Transport (CFAST) Pathfinder V

6 3 ANALÝZA POŽÁRNÍ BEZPEČNOSTI NÁRODNÍHO DIVADLA V PRAZE Úvod Vstupní charakteristiky Stavebně - technické charakteristiky Požární dělení Požární úseky Požární opona Požární úzávěry Stavební výrobky Požárně bezpečnostní zařízení Elektrická požární signalizace Samočinné stabilní hasicí zařízení Samočinné odvětrávací zařízení Únikové cesty Závěr PŘÍPADOVÁ STUDIE DIVADELNÍHO PROSTORU Úvod Divadelní studie Charakteristiky prostoru Cíle případové studie Doba evakuace případové studie Popis CFD modelu případové studie Okrajové podmínky Výpočetní síť Měření veličin Případová studie 1. požárního scénáře CFD model Charakteristika požárního scénáře Výsledky 1. požárního scénáře bez instalovaného SOZ Návrh samočinného odvětrávacího zařízení Výsledky 1. požární scénáře s instalovanou SOZ Porovnání hodnot se zónovým a numerickým modelem požární scénář bez instalovaného SOZ požární scénář s instalovaným SOZ VI

7 4.6 Případová studie 2. požárního scénáře CFD model Charakteristika požárního scénáře Výsledky 2. požárního scénáře Závěr CVIČNÝ POŽÁRNÍ POPLACH DIVADLA MINOR Úvod Divadlo Minor a požární cvičení Cíle Vstupní charakteristiky Charakteristiky prostoru Matematický model Použitý software Modelování a okrajové podmínky Výsledky matematického modelu Numerický model Porovnání výsledků reálné evakuace, matematického modelu a numerického modelu Reálná evakuace Závěr ZÁVĚR CITOVANÁ LITERATURA PŘÍLOHA Č PŘÍLOHA Č PŘÍLOHA Č VII

8 Anotace V úvodní části diplomové práce je podrobně rozebrán provoz a provozní charakteristiky divadel. Na ně navazující povinnosti pro provozovatele ve vztahu k požární bezpečnosti s návazností na platnou legislativu. V další kapitole je pro příklad uvedeno několik skutečných historických a novodobých požárů divadel ve vztahu ke škodám a k příčině požárům. Na tuto kapitolu přímo navazuje analýza požární bezpečnosti Národního divadla, která je jakýmsi vzorem spojení požární bezpečnosti s historickým a kulturním objektem. Navazující kapitola studuje projektování divadel z hlediska požární bezpečnosti staveb s návazností na platnou legislativu. Jsou uvedeny základní projekční povinnosti, na které by se v navrhování divadel nemělo zapomínat. Zejména se pak jedná o rozdělení na požární úseky, únikové cesty a požárně bezpečností zařízení. V předposlední kapitole je vytvořena případová studie divadelního prostoru, která dokazuje několika simulacemi, v programech FDS, Argos, CFAST a Pathfinder, vztah velkého prostoru k teplotám pří požáru, k výšce kouřové vrstvy a s tím spojená evakuace osob. Další kapitola je zaměřena na evakuaci osob z divadel. Je provedeno srovnání reálné evakuace, provedené v divadle Minor za účasti HZS ČR, s matematickým (Pathfinder) a numerickým modelem (ČSN). V závěrečné kapitole jsou shrnuty poznatky a doporučení z celé práce. Klíčová slova: provoz divadla, požár divadla, požární bezpečnost divadla, požár divadla, CFD, zónový model, Národní divadlo, případová studie, simulace, SOZ, doba evakuace, pohyb osob VIII

9 Annotation In the thesis is analyzed in detail the operation in the first part. There is analyzed the operating characteristics of the theaters and the related obligations for operators in relation to fire safety in connection with the legislation. Several real historical and modern theaters fires is stated in relation to the damage and cause fires in the next chapter. This chapter is directly connected to the fire safety analysis of the National Theatre, which is a kind of model fire safety equipment with the historical and cultural object. The design of theaters studies in terms of fire safety in connection with the legislation in the next chapter. They are given basic design responsibilities, which would in designing theaters not be forgotten. In particular, it involves the division into fire zones, escape routes and fire safety equipment. Case study is created in the penultimate chapter. This study shows several simulations, with programs FDS, Argos, CFAST and Pathfinder, theater space in the relationship of a large space to heat in the fire, the smoke layer height and the associated evacuation of people. Evacuating people from the theaters is focused in the next chapter. It is a comparison of a real evacuation, performed at the Theatre Minor attended by HZS ČR, with mathematical (Pathfinder) and numerical model (ČSN). Findings and recommendations of the whole work is summarized in the final chapter. Keywords: operation theater, theater fire, fire safety in theater, theater fire, CFD, zone model, the National Theatre, case studies, simulations, AVS, time of evacuation, behavior of persons IX

10 Seznam použitých symbolů a zkratek Symboly: A Plocha požáru m 2 D Obvod požáru m m Rychlost hoření kg/m 2 s Q tepelný výkon kw a součinitel vyjadřující rychlost odhořívání - an Nahodilá část součinitele a - as Stálá část součinitele a - c součinitel vyjadřující PBZ - M Množství materiálu kg H Výhřevnost materiálu J/kg hs Průměrná výška prostoru m tα Doba požáru k dosažení 1MW s t Čas s te Doba zakouření min tu Doba evakuace min ρ Objemová hmotnost kg/m 3 λ Součinitel tepelné vodivosti W/m/K c Měrná tepelná kapacita J/kg/K Ak Velikost kouřové sekce m 2 hv Výška od podlahy k osám větracích klapek m hk Výška akumulační vrstvy m To Vnitřní teplota prostoru C Mf Množství uvolněných plynů kg/s Tg Teplota v horní vrstvě C ρo Objemová hmotnost vzduchu kg/m 3 ρg Objemová hmotnost plynů kg/m 3 Vv Rychlost odváděných plynů m 3 /s X

11 Vp Rychlost přiváděného vzduchu m 3 /s Δ ρv Vztlak odváděných plynů Pa Δ ρp Vztlak přiváděného vzduchu Pa vv Rychlost odváděných plynů m/s vp Rychlost přiváděného vzduchu m/s Aav Aerodynamická plocha klapek m 2 Aap Aerodynamická plocha přívodu vzduchu m 2 Zkratky: EPS ZOTK SOZ SHZ SSHZ PBZ ND CCP Elektrická požární signalizace Zařízení odvodu tepla a kouře Samočinné odvětrávací zařízení Samočinné hasicí zařízení Samočinné stabilní hasicí zařízení Požárně bezpečnostní zařízení Národní divadla v Praze Cvičný požární poplach XI

12 Úvod 1 Úvod 1.1 Motivace pro diplomovou práci Pro svou diplomovou práci jsem si zvolil téma Analýza provozu a požární bezpečnosti divadel. Vedlo mne k tomu hned několik důvodů. Jeden z hlavních důvodů je, že jak nám historie dokazuje, při požárech v divadlech dochází velkému počtu ohrožení osob ohněm či zplodinami hoření a k následnému úmrtí těchto osob. Divadelní prostory se často nacházejí v podzemních prostorách, zvláště v centrech velkých měst. Tato skutečnost razantně zhoršuje riziko ohrožení osob při požárech v divadlech. Dalším důvodem je skutečnost, že divadla jsou velmi často kulturní a historickou památkou a sami o sobě jsou z těchto hledisek velmi cenná. Při požárech divadel dochází k velkým škodám na osobách i majetku. Požární bezpečnost těchto objektů by se tedy neměla zanedbávat. České právní předpisy nabízejí, z mého pohledu, obecné řešení problematiky pro navrhování požární bezpečnosti divadel. Divadla, přesněji jevištní a hledištní prostory jsou jen jakýmsi způsobem harmonizovány na ostatní stavby s jiným charakterem, přičemž požadavky na tyto prostory, jsou popsány jen dílčím způsobem. Nezbytným důvodem proč jsem si vybral toto téma, je mé pěti-leté působení v divadle a nasbírání mnoha zkušeností z provozu divadla jak skutečně funguje, jaké jsou nedostatky a na co je třeba si dát pozor. Mnoho skutečností, které budu později uvádět, jsou tedy fakta, která jsem za posledních pár let nashromáždil, ať už se jedná o provoz divadla, požární prevenci či cvičné poplachové evakuace a chování osob v divadelních prostorech. Posledním důvodem byl můj velký zájem o kulturu a kulturní stavby ve spojení s požární bezpečností staveb. 1 / 75

13 Úvod 1.2 Cíle a struktura Z výše uvedených důvodů bude popsán nejprve obecný provoz divadel, jak divadelní zařízení fungují, jak se liší od ostatních občanských staveb z hlediska klasického provozu. Na tuto kapitolu bude navázáno provozem divadla ve vztahu k požární bezpečnosti staveb. Budou uceleny povinnosti provozovatele ve vztahu k požární prevenci, k revizím požárně bezpečnostních zařízení a současně platné legislativě v České republice. V další kapitole bude uvedeno několik vybraných zahraničních i tuzemských požárů, z řad historie i nové doby. V této kapitole se budu věnovat analýze, proč požáry v divadlech jsou právě tak rizikové pro osoby i majetek a jakým způsobem bychom si z nich měli vzít ponaučení. V následující kapitole bude ucelena problematika současně platných právních norem k projektování požární bezpečnosti divadel, ať se jedná o formu novostavby či změny staveb. Praktická část se bude věnovat analýze požární bezpečnosti Národního divadla ve vztahu k současně platné legislativě. Další kapitola se bude věnovat oboru Case study neboli případové studii. Cílem této studie bude modelování požáru v divadle, podle určitého pravděpodobného požárního scénáře. Sledování pohybu zplodin hoření, sálání tepla, teplot a doby zakouření ve srovnání s dobou evakuace. Poslední kapitola bude srovnávat skutečný požární poplach divadla s numerickým a matematickým model ve vztahu k době evakuace. V závěru práce bude uvedeno vyhodnocení požární bezpečnosti vybraných divadel. Shrnutí všech faktů a zajímavostí z evakuace divadla a z případové studie. A následné doporučení pro provozovatele a projektanty divadel. Hlavní cíle mé diplomové práce jsou: Ucelit požární bezpečnost divadel v závislosti na provozu a platné legislativě, vytvořit případovou studii divadelního prostoru, z důvodu analýzy chování požáru v divadle, v závislosti na době evakuace, porovnat reálnou evakuaci divadla s matematickým a numerickým model. 2 / 75

14 Historický a současný stav problematiky 2 Historický a současný stav problematiky 2.1 Provoz a požární prevence divadelních zařízení Požární odbor má nejméně jednou za rok konati prohlídku veškerých budov, aby vypátral vady ohněm nebezpečné a dohlédl na přípravy hasicí. Nařizuje tak již zemský zákon z 25. dne měsíce května 1876 v 8. (Nitra, 2011) Provoz divadelních zařízení Divadlo je jedním z uměleckých směrů, které odráží politický, ekonomický a i kulturní stav dané doby. Prostřednictvím herce napodobuje reálné scény. Děje se tak na za záměr estetického i duševního působení na diváka (Dvořák, 2005). V uvedené práci budou uváděny pojmy z divadelních prostor, které mohou obsahovat: jeviště vyvýšená část divadla určená k představení, hlediště část divadla pro diváky s rovnou nebo stupňovitou podlahou, pevnými nebo sklopnými sedadly, řady jsou doplněné tzv. přístavky, jevištní portál architektonické rozdělení divadelních prostoru na jeviště a hlediště, tzv. portálovým oknem, v němž je ze strany jeviště umístěn mechanizmus oponového závěsu, kukátkové jeviště jeviště ohraničené portálem, který vymezuje plochu jeviště, provaziště prostor nad jevištěm opatřený kovovým roštem s kladkami závěsných lan a tahových tyčí, sloužící k manipulaci dekorací, propadliště část prostoru pod jevištní podlahou, kde se mohou nacházet zpravidla hydraulické mechanizmy, 3 / 75

15 Historický a současný stav problematiky požární opona požární uzávěr typu EW, z nehořlavých hmot, oddělující jeviště od hlediště, zákulisí divadla prostory navazující na jeviště, sklad dekorací, strojovny, inspicientská kabina, maskérna, garderoba, ale také stanoviště požárního dohledu a stanoviště pro ovládání elektrické požární signalizace, zařízení pro odvod tepla a kouře nebo samočinné hasicí zařízení, dekorace soubor kulis (HZS ČR, 2006). Divadlo nebo divadelní prostory jsou velmi specifickou občanskou stavbou. Nachází se často v hlubokých podzemních prostorech s velkým vnitřním objemem. Divadla mají často komplikované zázemím a zákulisí, kde se nezaujatý divák velmi lehko ztratí. Divadelní a kulturní akce navštěvují v podstatě všechny věkové kategorie osob. Jedná-li se o večerní představení, navštěvují je dospělí, senioři, ale i děti. V opačném případě dopolední představení, které se hrají většinou jen pro děti, tedy pro školy, nebo dopolední představení pro seniory. Tyto aspekty mají však velký vliv na případnou evakuaci při požáru, protože senioři jsou dle české legislativy posuzováni jako osoby s omezenou schopností pohybu. Kupříkladu cvičné požární poplachy se ve většině případů odehrávají také v dopoledních hodinách při dětských představení. Z toho vyplývá, že nejsou dosaženy reálné podmínky evakuace jako při večerních představeních, které navštěvují spíše dospělé osoby, případně senioři. Způsob a čas evakuace se pak bude u jednotlivých představení lišit v závislosti na druhu dané inscenace. Další samostatnou kategorii provozu divadel jsou divadla zaměřující se jen na určitou kategorii diváků. Komorní scény nebo také scény, které hrají jen pro děti. V těchto prostorách se budou podmínky požáru a hlavně evakuace také lišit. Všechna uvedená fakta nejsou komplikací nejen pro případnou evakuaci diváků a personálu, ale také pro samotný zásah hasičů, kterým velké množství lidí a špatná orientace v zakouřeném prostoru způsobuje zhoršené podmínky v protipožárním zásahu (HZS ČR, 2006). Divadla nemusí být jen uzavřeným prostorem. Jsou, známe scény cirkusového typu nebo otočná scéna v Českém Krumlově. Tyto scény však nebudou obsahem této práce. Riziko nevzniká jen z charakteru a umístění stavby. Podstatnou složkou je také používání divadelních prostor. Z hlediska požáru je nejrizikovější prostor jeviště. Na jevišti se nachází velké množství hořlavých látek a elektrických rozvodů, kde by případná technická porucha 4 / 75

16 Historický a současný stav problematiky elektroinstalace, mohla způsobit požár. Kulisy jsou většinou ze dřeva nebo z papíru, světla s velkým výkonem nebo hydraulické propadlo s množstvím velmi hořlavých látek. Hoření lehce hořlavých látek a plastů, způsobuje vznik množství vysoce toxických zplodin hoření. Velmi často se na jevišti pracuje s otevřeným ohněm, ať už se jedná o oheň, který je součástí představení, o sváření při opravách kulis, nebo pouhém odhozeném nedopalku cigarety. Všechna tato fakta jsou potencionální příčinou požáru (HZS ČR, 2006). Scénář požáru kapalin hydraulického propadla bude modelován a analyzován v případové studii této práce. Případný požár na jevišti by se mohl rozšířit do přilehlých prostor, jako je například sklad dekorací, kde jsou uskladněny kulisy a vše potřebné k daným inscenací, nebo také přímo do hlediště. Značná výška prostoru vytváří komínový efekt tedy rychlou výměnu plynů (HZS ČR, 2006). V hledišti je podstatně menší požární riziko. Nebezpečí vzniká v hořlavosti čalounění sedadel a v požární neoddělenosti jeviště od hlediště. Toto riziko platí hlavně pro stará nerekonstruovaná divadla, kde nebylo nutné uplatňovat požadavky stávajícího kodexu norem požární bezpečnosti staveb. Dalším rizikem divadelních prostor je jejich víceúčelové používání. V divadelních prostorách si lze představit různé kulturní i společenské akce jako například přednášky, výstavy, rauty apod Provoz divadel ve vztahu k požární bezpečnosti Provozovatelé divadelních prostor a dalších občanských staveb mají zákonné povinnosti z hlediska požární bezpečnosti staveb, tzn., že na ně spadá velké množství více či méně nákladných činností, které musejí v době životnosti dané stavby a provozu dodržovat. Provozovatel je povinen udržovat v předepsaném počtu a provozuschopném stavu jednotlivé druhy věcných prostředků požární ochrany a požárně bezpečnostních zařízení. Věcné prostředky požární ochrany, jako například hasicí přístroje ať se jedná o přenosné, přívěsné nebo pojízdné, má provozovatel povinnost kontrolovat jednou za rok a jednou za pět let tlakovou zkouškou. Hasicí přístroje musí kontrolovat osoba k tomuto způsobilá, nejčastěji tedy osoba pověřená od výrobce. Požárně bezpečnostní zařízení, jako je například hydrantový systém, se musí kontrola provádět jednou za rok, a to na rozdíl od věcných požárně bezpečnostních zařízení, ji může provádět osoba odborně způsobilá, tedy požární technik, nebo preventista požární ochrany. Vyhrazená požárně bezpečnostní zařízení (EPS, ZOTK, SHZ) se musí kontrolovat jedenkrát za rok (pokud výrobce nestanoví lhůtu kratší), a to jejich provozuschopnost. V případě elektrické požární signalizace, se provozuschopnost požárních 5 / 75

17 Historický a současný stav problematiky hlásičů musí kontrolovat jednou za půl roku a ústředna EPS jedenkrát za tři měsíce. Protože se jedná o vyhrazená požárně bezpečnostní zařízení, revize musí provádět dodavatelská firma. V rámci celé budovy se provádí preventivní požární prohlídka, v které je předmětem například kontrola průchodnosti únikových cest, kontrola požárních uzávěrů apod. (Vyhl. č. 246 Sb., 2001). V divadelních prostorách se většinou provozují činnosti se zvýšeným požárním nebezpečím, méně se pak vyskytuje provoz s činností s vysokým požárním nebezpečím. (HZS ČR, 2006). Kritéria pro zařazení do činností se zvýšeným požárním nebezpečím jsou zejména: používání otevřeného ohně, nebo jiné zdroje zapálení v bezprostřední přítomnosti hořlavých látek v pevném, kapalném nebo plynném stavu, shromažďování většího počtu osob, přítomnost osob se sníženou schopností pohybu a orientace, v podzemních prostorách určených pro poskytování služeb nebo obchod s nahodilým požárním zatížením 15 kg/m 2 a vyšším, ve kterých se může současně vyskytovat 7 a více osob. Kritéria pro zařazení do činností s vysokým požárním nebezpečím jsou např.: podzemní prostory s nahodilým požárním zatížením 15 kg/m 2 a vyšším, ve kterých se může současně vyskytovat více než 200 osob (Zákon č. 133 Sb., 1985). Celé znění klasifikace pro provoz se zvýšeným požárním nebezpečím a s vysokým požárním nebezpečím lze najít v Zákonu číslo 133/1985 Sb., o požární ochraně 4. Klasifikace divadelního prostoru do provozu se zvýšeným požárním nebezpečím nebo s vysokým požárním nebezpečím klade na provozovatele dle zákona řadu povinností. Jedním z povinností je zřízení preventivní požární hlídky při každém představení, nebo společenské akci. Požární hlídka má na starosti dohled na dodržování požární ochrany a v případě vzniku požáru provést nutná opatření k jeho likvidaci (Zákon č. 133 Sb., 1985). Reálná situace je dnes ve většině divadel odlišná. V době značného šetření se od klasických požárních hlídek opouští. K tomu jsou vyškoleni jiní zaměstnanci, například kulisní technici, kteří v době představení mění scény na jevišti a zároveň plní úlohu požární hlídky. Je třeba zmínit, že tento způsob zákon dovoluje. Další z povinností je skutečnost školení a odborné přípravy všech zaměstnanců divadla o požární ochraně (Zákon č. 133 Sb., 1985). Školení zaměstnanců je velmi důležitou součástí v provozech divadla. V případě požáru musí zaměstnanci, v první řadě technici na jevišti a uvaděči v hledišti, zajistit otevření únikových východů a zabezpečit, popřípadě řídit evakuaci osob. Je známo, že osoba v cizím prostředí má tendence opustit budovu tím samým východem, co přišla. To však v mnoha případech není možné. K těmto úkolům musí být tedy zaměstnanci řádně vyškoleni. K prověření zaměstnanců, účinnosti požárních poplachových směrnic a 6 / 75

18 Historický a současný stav problematiky správnost požárního evakuačního plánu je povinnost jednou za rok vyhlašovat cvičné požární poplachy. V případě cvičných požárních poplachů v divadlech se jedná z hlediska evakuace o velmi citlivou a důležitou záležitost a je třeba ji dopředu, za účasti požárního technika a zaměstnanců, připravit. Srovnání cvičné evakuace divadla s numerickým a matematickým modelem bude uvedeno v praktické části práce. Provozovatel má povinnost vedení dokumentace požární ochrany. Do dokumentace požární ochrany v divadlech patří: a) dokumentace o začlenění do kategorie činností se zvýšeným požárním nebezpečím nebo s vysokým požárním nebezpečím, b) posouzení požárního nebezpečí (jen v případě činnosti s vysokým požárním nebezpečím), c) stanovení organizace zabezpečení požární ochrany, d) požární řád, e) požární poplachová směrnice, f) požární evakuační plán, g) dokumentace zdolávání požáru, h) řád ohlašovny požárů, i) tematický plán a časový rozvrh školení zaměstnanců a odborné přípravy preventivních požárních hlídek a preventistů požární ochrany, j) dokumentace o provedení školení zaměstnanců a odborné přípravě preventivních požárních hlídek a preventistů požární ochrany, k) požární kniha (Vyhl. č. 246 Sb., 2001). Podrobnější informace, které mají jednotlivé dokumentace obsahovat, lze nalézt ve Vyhlášce 246/2001 Sb. o stanovení podmínek požární bezpečnosti a výkonu státního požárního dozoru / 75

19 Historický a současný stav problematiky 2.2 Vybrané historické a novodobé požáry divadel V zásadě lze uvést, že požáry, divadla postihují od samého počátku jejich vzniku. Když se však vrátíme do dob antického Řecka a Říma, tamní divadla byla celá kamenná. Neexistovali žádné kulisy. Divadelní prostor byl otevřeným objektem bez zastřešení a vytápění. Z hlediska dnešního pohledu požární bezpečnosti staveb, to byly tedy zcela nehořlavé budovy. Postupem času se však ve vnitřním vybavení začalo používat hlavně dřevo a hořlavé textilní materiály použité na čalounění sedadel, obložení stěn apod. Divadla začala být osvětlována či vysoušena přímým otevřeným ohněm. Ať už se jednalo o plynová či petrolejová svítidla a topidla, vždy šlo o potencionální rizika vzniku požáru. Ani příchod elektrické energie situaci nezlepšil, protože tehdy prováděné elektroinstalační rozvody, znamenaly, vlivem často neodborné instalace, také velké riziko požáru. Únikové cesty a obecně evakuace osob byla na velmi nízké úrovni. Ve spojitosti s přeplňováním divadla, kde standardně bylo tisíc a více diváků se jednalo o smrtelné podmínky (Hladík, Janata, & Kozák, 2009). Obr. 1 Požár vídeňského Ringtheateru v r Xylografická ilustrace (Hladík, Janata, & Kozák, 2009). 8 / 75

20 Historický a současný stav problematiky Nemůžeme však tvrdit, že požární bezpečnost divadel se v dřívějších dobách vůbec neřešila. Jak ukazuje zemský zákon vydaný dne 27. března 1887, tedy šest let po požáru Národního divadla v Praze, o tom, jak se mají stavěti nová divadla, jak se mají zřizovat a provozovati divadla vůbec, dále jak se koná úřední služba inspekční a jak se v nich dohlíží na opatřením bezpečnostním (Nitra, 2011) Požár Národního divadla Bylo 12. srpna roku Do oficiálního otevření velkolepé budovy Národního divadla zbýval pouhý měsíc. Projekt architekta J. Zítka spěl po dlouhých deseti letech do konce, zbývaly jen poslední dodělávky na interiéru. Nové Národní divadlo mělo obvodové stěny kamenné, foyer a schodiště bylo také z nehořlavých hmot. Vše ostatní podlahy, vnitřní vybavení, hlediště, jeviště i zákulisí divadla bylo dřevěné, jen střecha byla z části ocelová a z části dřevěná. Existuje několik více či méně pravděpodobných verzí příčin požáru. Podle oficiální verze, která byla také přijata veřejností, při instalaci hromosvodu, který měl divadlo chránit před případným zásahem blesku a požárem, dělníkům, kteří spájeli dráty hromosvodu, zaletěl žhavý uhlík do mezery ve střeše, která začala později hořet (Hladík, Janata, & Kozák, 2009). Zámečníci ke spájení drátů používali plechová letovací kamínka, v kterých se rozpálilo dřevěné uhlí, na roztavení letovacího spoje. Po ukončení letování údajně zalili kamínka vodou a uložili je do měděného okapového žlabu, kde byl zbytek dešťové vody (Ivanov, 2000). Obr. 2 Požár Národního dovadla v Praze r Scéna z pohledu od Vltavy. Xylografická ilustrace (Hladík, Janata, & Kozák, 2009). 9 / 75

21 Historický a současný stav problematiky Co následovalo, je dobře známe. Vyhořelo takřka celé divadlo. Zůstali stát jen obvodové zdi, schodiště a foyer. Kompletní vnitřní část divadla vyhořela. Z hlediště, jeviště a zákulisí divadla nezbylo nic. Dřevěná část střechy také shořela, ocelová část se pokroutila a byla zničena. Obr. 3 Po požáru Národního divadla v r Pohled na jevištní prostor. Xylografická ilustrace (Hladík, Janata, & Kozák, 2009). Vyšetřování a výslech dělníků, kteří na střeše pracovali, byl od začátku zjevně veden k jejich vině. Nebyly akceptovány žádné jiné alternativy příčiny vzniku požáru. Soud jednoznačně odsoudil dělníky za nedbalost při dodržování požární ochrany. Trestem jim byl týden vězení, s dvěma půsty. Obhájce dělníků, žádal provedení praktické zkoušky, ke zjištění příčiny požáru. Soudem a prokurátorem nebyla však žádost přijata (Ivanov, 2000). Tento fakt později přiměl několik autorů nad uvážením, jestli tato příčina byla skutečně pravdivá. V 70. letech 19. století panovala v Čechách napjatá atmosféra mezi německým a českým obyvatelstvem. Tato nevlídná atmosféra byla doprovázena násilnými akcemi a žhářství nebylo nic výjimečného. Jak vychází z dobových pramenů, v den kdy Národní divadlo vyhořelo, zkoušeli hasiči svou novu velmi výkonnou parní stříkačku, kterou však po dokončení zkoušky neuvedli do původního pohotovostního stavu a byla tedy nepoužitelná. Aby náhod onoho dne nebylo málo, železnou požární oponu, která dělila jeviště od hlediště, nebylo možné v ten den spustit z důvodu lešení, které bylo přímo pod oponou. Z důvodu nízkého tlaku ve vodárnách nebylo možné naplno použít hydranty uvnitř Národního divadla a vodovodní potrubí vně taktéž. 10 / 75

22 Historický a současný stav problematiky Při požáru panoval mezi hasičským sborem zmatek a hasiči trpěli jak organizačními tak technickými nedostatky (Ivanov, 2000). Všechna tato fakta můžou naznačovat verzi žhářství, ze strany německých občanů, protože pro Čechy měla být stavba Národní divadlo jakýmsi povzbuzením. Literatura také uvádí, že divadlo mohl nechat zapálit také sám architekt J. Zítek. On sám od začátku prosazoval velkolepou vysokou stavbu, ale stavební komise mu to nedovolila, aby Národní divadlo nepřevyšovalo ostatní budovy. J Zítek z tohoto rozhodnutí byl údajně tak zklamaný, že nechal své divadlo zapálit. V roce 1982 byla provedena odborná zkouška imitující skutečné podmínky požáru tehdejší doby. Cíl zkoušky bylo ověření vznícení dřevěné části střechy při kontaktu se stěnou měděného okapového žlabu. Pro simulaci tehdejšího větru se experiment odehrával ve Výzkumném a zkušebním leteckém ústavu v Letňanech. Experiment prokázal, že žhavý uhlík, i za příznivějších podmínek hoření, nemohl zapálit střechu Národního divadla. Vyvrátil tak rozhodnutí soudu z roku Expertíza potvrdila možnost úmyslného zapálení Národního divadla. Tato verze se však potýká s nedostatkem důkazů a nelze ji tedy považovat za prokazatelnou. (Masařík, 2004) Požár divadla Iroquois v Chicagu Za jednu z největších světových katastrof požáru divadel je uváděn požár Iroquois v Chicagu, který divadlo zachvátil 30. prosince Kombinace vyprodaného divadla, bezmála třináct set diváků, a nedostavěných konstrukcí divadla, způsobila skutečnou katastrofu (Nitra, 2011). Divadlo Iroquois mělo tři nadzemní podlaží. V prvním patře bylo umístěno hlavní hlediště, v druhém byly šatny se sociálním zařízením a ve třetím patře byla galerie, tedy balkon (Brandt, 2003). Požár vypukl na jevišti pod jednou z kulis, na které se vznítila chybně zapojená elektroinstalace osvětlení. Požár v pár minutách přeskočil z jeviště do hlediště. Divadlo v té době nebylo úplně dostavěno, na mnoha únikových cestách chybělo neúplné požární schodiště až do výšky pěti metrů. Mnoho diváků ve způsobené panice upadlo a bylo ušlapáno. Obecenstvo z balkonů a horních řad nemohlo prakticky uniknout. Na třináct set diváků se tlačilo, pouze dvěma únikovými východy a ve způsobené panice, rychle se rozšiřujícímu ohni a zplodinám hoření padlo za oběť na šest set lidí. 11 / 75

23 Historický a současný stav problematiky Stavaři divadla v Chicagu, se chtěli poučit z velkého požáru divadla Ringtheater ve Vídni v roce Bylo tedy rozhodnuto použití nehořlavých materiálů jako žuly a mramoru (Nitra, 2011). To však nepomohlo, protože mnoho únikových cest bylo zmatečných a nedostavěných. Světlíky, které měly odvětrávat teplo a zplodiny hoření, byly zavřeny a azbestová opona oddělující jeviště od hlediště, nebyla pravidelně zkoušena a nešla v době požáru spustit (Brandt, 2003). Je třeba zmínit, že v Evropě zřizovat železné požární opony bylo v divadlech již povinností (Nitra, 2011). Obr. 4 Po požáru divadla Iroquois v r Pohled na hlediště z jeviště. Dobová fotografie (Brandt, 2003). Před otevřením divadla podnikl kapitán Chicagského hasičského záchranného sboru, neoficiální prohlídku prostoru. Později poznamenal: V prostorech nebyly žádné hasicí přístroje, sprinklery, alarmy či telefony. K dispozici bylo jen šest kanystrů suché chemické látky zvané Kilfyre který se používá na hašení komínů v bytových domech. Kapitán na nedostatky poukázal požární hlídce v divadle. Informace však byla ignorována (Brandt, 2003) Požár divadla Globe v Praze V roce 1999 byla na pražském Holešovickém výstavišti, po vzoru Londýnského a Německého divadla, postavena replika alžbětinského divadla Globe. V prvních letech působení se scéna setkávala se úspěchem. Po pár letech však bylo divadlo spíše uzavřené (Nitra, 2011). 12 / 75

24 Historický a současný stav problematiky Divadlo Globe bylo po vzoru v Londýně postaveno celé ze dřeva. Jen dílčí části jeviště byly ocelové. Konstrukce byla dvanáctistěnná, na rozdíl od Londýnského dvacetistěnu. Globe se od klasických divadel velmi lišil. Bylo malých rozměrů, bez složitých a dlouhých únikových cest a prakticky bez divadelního zákulisí. Kapacita byla 500 míst k sezení a 200 míst k stání. Z požárního hlediska nikterak složité prostory. Největší nebezpečí hrozilo v celodřevěné konstrukci (Nitra, 2011). Obr. 5 Divadlo Globe v r (Požáry.cz, 2005). 12. listopadu roku 2005 byl pražským hasičům oznámen požár divadla Globe. Požár se po dřevěné konstrukci rychle rozšířil na celý objekt a po pár minutách byl prakticky celý v plamenech. V této době bylo divadlo několik let mimo provoz, a výskyt osob se nepředpokládal. (Požáry.cz, 2005). Obr. 6 Požár divadla Globe v r (Požáry.cz, 2005). 13 / 75

25 Historický a současný stav problematiky Vzhledem k nepoužívání objektu se jako první příčina požáru jevila nedbalost při zacházením s otevřeným ohněm bezdomovců. Jako druhá reálná příčina požáru se jeví úmyslné zapálení, protože svědkové uvedli, že požáru předcházel silný výbuch. Divadlo bylo po požáru kompletně zničeno (Požáry.cz, 2005). Ironií osudu zůstává, že v roce 1613 Londýnské dvojče také kompletně shořelo. Na rozdíl od Prahy však bylo na jeho místě ihned postaveno divadlo nové Závěr Z historických požárů lze tedy vyvodit, že hlavní nebezpečí spočívá v kombinaci nedostatečného požárního zabezpečení spojené s nedbalostí a podceňováním požárního rizika. Špatné technické prostředky a neodborně provedená elektroinstalace nebezpečí požáru pak jen zvyšuje. Nesprávně navržené a poddimenzované únikové cesty, které vedly k panice diváků a prakticky nemožné, nebo velmi ztížené evakuaci osob z divadel. Z každého vzniklého požáru byla snaha vzít si ponaučení. Důkazem toho je požár divadla Iroquois, po kterém se začala používat na dveřích únikových cest paniková kování a dveře musely být otvíratelné ve směru úniku (Brandt, 2003). V současné době velké požáry divadel prakticky vymizely. Jedná se většinou jen o malá zahoření, které je rychle zvládnuto divadelní požární technikou. Lze tedy konstatovat, že požární prevence v divadlech se ubírá správným směrem. 2.3 Projektování divadel ve vztahu k požární bezpečnosti Níže uvedený text je psán pro divadla, která jsou dle současně platných právních předpisů posuzována jako shromažďovací prostory Historie požární bezpečnosti divadel Na požární bezpečnost divadel se pamatovalo už v dřívějších dobách, jak ukazuje Zemský zákon ze dne 27. března 1887 o tom, jak se mají stavěti nová divadla, jak se mají zřizovat a provozovati divadla vůbec, dále jak se koná úřední služba inspekční a jak se v nich dohlíží na opatřením bezpečnostním. Tento zákon stanovil jednoduchá pravidla, jak mají být stavěna divadla. 14 / 75

26 Historický a současný stav problematiky Stanovil, že divadla musí být stavěna na volném prostoru, tak aby byla po všech stranách nejkratší vzdálenost od ostatních budov 15 metrů. Výjimku tvořila menší divadla, údajně do 600 sedadel, kde mohlo být divadlo na straně jeviště spojeno s další budovou, ale muselo být odděleno protipožární zdí. Jeviště od hlediště muselo být odděleno neprůhlednou, předohnivzdornou oponou, která musí být celistvá a izolována tak, aby nepropouštěla zplodiny hoření. Celá opona pak musí být připevněna ocelovými součástkami. Dále zemský zákon určoval povinnost opatřit jeviště nejméně dvěma otvory, jakýmisi komíny, pro odvod tepla a kouře. Průřez těchto otvorů musel být alespoň 40. díl plochy jeviště. Tyto otvory musely být snad otvíratelné z prostor jeviště. Všechno vybavení na jevišti, mimo kulis a rekvizit, muselo být nehořlavé nebo dokonale protipožárně impregnované. Dále zemský zákon řešil únikové cesty z hlediště, kde kladl povinnost na šířku únikových cest, které musí být alespoň 2,5 m široké a schodiště, které musí být nehořlavé, vedoucí do ulice na volné prostranství. Počet únikových cest musí být v takovém počtu, že úplně vyprodané hlediště bude evakuováno do čtyř minut. Dále ukládal povinnost, aby na každé vnější straně divadla byl zřízen požární žebřík, který by sloužil hasičům pro výlez na střechu. Tento zemský zákon, byl ve srovnání s dnešní legislativou velmi jednoduchý. Nastavil však první pravidla požární bezpečnosti divadel, která se postupem času vyvíjela až do dnešní podoby Požární úseky Divadelní budovu lze rozdělit na dvě části. První část tvoří zákulisí divadla, kde můžeme najít například šatny, kanceláře, elektro-rozvodny a strojovny. Tyto prostory se řídí klasickými předpisy pro rozdělení objektu na požární úseky jako u ostatních budov. Druhou částí je prostor jeviště a hlediště. Jeviště musí být samostatným požárním úsekem, pokud svislá vzdálenost horního okraje jevištního portálu k nejvyššímu bodu jevištních tahů je větší než 4,5 m. V ostatních případech může být jeviště a hlediště jeden požární úsek (ČSN , 2013/Z1). V případě samostatného požárního úseku jeviště se musí zřizovat v portálovém otvoru požární uzávěr tedy požární opona. Požární opona musí být požární odolností EW 15 DP1 až EW 30 DP1 v závislosti na ploše opony (ČSN , 2013/Z1). Označení DP1 tedy z nehořlavých konstrukcí dává prostor označení Železná opona. Tyto opony jsou většinou mohutné ocelové konstrukce sloužící k oddělení jeviště od hlediště. Požární opony musí splňovat i historické a architektonické 15 / 75

27 Historický a současný stav problematiky požadavky proto se v mnoha případech jejich požární odolnost zvyšuje skrápěním ze sprinklerových hlavic (Kaiser, 2013). Další požadavky na požární opony lze nalézt v ČSN Požární bezpečnost staveb shromažďovací prostory příloze D 1.3. Obr. 7 Železná požární opona ve Stavovském divadle. Pohled zdola (Kaiser, 2013) Stavební výrobky Na stavební výrobky divadel je dle českých právních předpisů kladeno několik požadavků. Povrchové úpravu v prostorách hlediště musí být třídy reakce na oheň B-s1-d0 s indexem šíření plamene 0 mm/min. Jedná se o výrobky, které velmi omezeně přispívají k vývinu požáru, vyvíjejí minimální zplodiny hoření a nedokapávají. U shromažďovacích prostorů musí být povrchové úpravy podlah třídy reakce na oheň Dfl-s1 až Cfl-s1. Tato skutečnost se musí zohlednit hlavně v prostorách foyeru a hlediště, kde se z architektonického hlediska často používají koberce. Lavice a sedadla v hledišti s pevnými i sklopným sedadly musí být třídy reakce na oheň minimálně D. U záclon, šál a závěsů musí být prokázána zápalnost delší než 20 s (ČSN , 2013/Z1). Toto kritérium se řeší impregnačními nástřiky na textily, které se musí po určité době obnovovat. Obr. 8 Multifunkční aula GONG v Ostravě. Pohled do hlediště (Pokorný M., 2013). 16 / 75

28 Historický a současný stav problematiky Česká legislativa zahrnuje odhořívání látek respektive rychlost odhořívání látek ve výpočtu požárního zatížení součinitelem a. Součinitel a tedy charakterizuje úbytek hořlavé látky za časovou jednotku v závislosti na druhu, tvaru, rozměru seskupení a uložení látek. Snadno se můžeme přesvědčit, že každá látka odhořívá jiným způsobem a jinak rychle. Tyto rozdíly má vystihnout právě součinitel a. Můžeme tedy říci, že se jedná o průměrnou hodnotu, která v sobě zahrnuje mnoho vstupů. Součinitel a v sobě zahrnuje složku stálou a nahodilou. Stálá složky as je konstantní s hodnotou 0,9. Důležitější je však složka nahodilá an (Reichel, 1978). Součinitel a je dle ČSN tab. A.1 pol. 3.2 pro jeviště 1,15 až 1,25 v závislosti na druhu jeviště. Podrobným výpočtem bude prokázán součinitel an. Dle vzorce (Reichel, 1978): a n M i H M i i a H i mi (1) Kde: an nahodilá část součinitele a (bez rozměru) ami součinitel charakterizující druh hořlavé látky (bez rozměru) Mi Množství paliva (kg) Hi Výhřevnost paliva (MJ/kg). V tabulce 1 je uveden jednoduchý odhadovaný rozbor hořlavých materiálů na jevišti. Výhřevnosti hořlavých materiálů (ČSN , 1992). Součinitel am dle ČSN tab. C.1. Tab. 1 Výpočet součinitele a n. Materiál M i H i M i. H i (kg) (MJ/kg) (MJ) a mi M i. H i. a mi (MJ) Textil , Papír , Olej , Dřevo , součet Dle rovnice (1): a n 1, Výsledná hodnota součinitele an rovno 1,154 je oproti ostatním provozům velká a značně zvyšuje výsledné výpočtové požární zatížení. Hodnota velmi dobře přibližuje skutečné podmínky na jevištních divadlech. 17 / 75

29 Historický a současný stav problematiky Požárně bezpečnostní zařízení V divadelních prostorech se mohou vyskytovat takřka všechna požárně bezpečnostní zařízení. To klade veliké finanční i projekční nároky. Divadelní budovy jsou velmi často historickou a kulturní památkou a je třeba je vhodně začlenit do architektonického záměru budovy. Elektrická požární signalizace je v divadelních prostorech samozřejmostí z hlediska novostavby i změny staveb. Je základem pro všechna protipožární zařízení. V jevištních prostorech často pozorujeme přítomnost otevřeného ohně a umělého kouře. Je tedy třeba dát pozor na správnou volbu požárních hlásičů v těchto prostorech. Samočinné hasicí zařízení (dále jen SHZ) už není v divadelních prostorech tak obvyklé. Najdeme jej v těch největších divadlech nebo novostavbách. SHZ se vyskytuje obvykle jen v prostorách jeviště a často je použito pro zvýšení požární odolnosti požárních opon, nebo k vodní cloně, za účelem požárního oddělení jeviště a hlediště. Skutečnost, zda SHZ je v prostorách jeviště požadováno, určuje článek D 1.5 ČSN Samočinné odvětrávací zařízení (dále jen SOZ) je dalším často používaným požárně bezpečnostním zařízením v divadlech. Protože se divadelní prostory velmi často nacházejí v podzemních prostorách, může být větrání velmi komplikované. V divadlech se může vyskytovat větrání přirozené nebo nucené. Obr. 9 Přirozené samočinné odvětrávací zařízení ve Stavovském divadle. Pohled do hlediště (Kaiser, 2013). 18 / 75

30 Historický a současný stav problematiky Při návrhu SOZ v divadlech, je vzhledem ke značné výšce prostoru, požadována zpravidla větší aerodynamická plocha větrání. Je třeba brát v úvahu, zda je jeviště a hlediště jeden nebo dva požární úseky (kouřové sekce). Z této skutečnosti vyplývá, že pokud je jeviště s hledištěm pouze jedna kouřová sekce, je zapotřebí větrací zařízení směřovat nad jeviště a přítok vzduchu do hlediště. Tímto způsobem zaručíme v hledišti podtlak a tím i bezpečnou evakuaci pro diváky. V druhém případě, pokud je jeviště a hlediště odděleno, větrá se každá sekce zvlášť. Musí se však přihlédnout k určité infiltraci vzduchu mezi oběma úseky. Aerodynamická plocha větrání a přítoky vzduchu se pak v obou úsecích musí navrhnout tak, aby vzduch infiltroval z hlediště do jeviště. Vzhledem k výskytu různých galerií a balkónů je zapotřebí při návrhu zahrnout různé výškové požární scénáře a vyhodnotit ten nejméně příznivý (ČSN , 2013/Z1) Únikové cesty Únikové cesty se v divadelních prostorech navrhují obdobně jako v ostatních budovách dle ČSN a ČSN Protože divadelní prostory jsou velmi často komplikované a zmatečné, je třeba únikové cesty navrhnout jednoduché a co s nejkratší vzdáleností na volné prostranství. Únikové cesty jako prostor bez požárního rizika s dveřmi otvíravé ve směru úniku opatřené panákovým kováním jsou samozřejmostí. Dle tabulky 1 ČSN lze dle velikosti shromažďovací prostoru navrhnout počet a umístění únikových cest. Rozhodujícím faktorem pak bude výpočet doby evakuace. Obr. 10 Multifunkční aula GONG v Ostravě. Únikový východ z hlediště (Pokorný M., 2013). Z hlediska pohybu osob je nutno správné rozdělení a uspořádání prostoru hlediště. Základními charakteristikami je množství sedadel v jedné řadě, a zda tato sedla jsou připevněná 19 / 75

31 Historický a současný stav problematiky či nepřipevněná. Z těchto vstupů lze správně navrhnout velikosti a umístění uliček a následné únikové východy. Při standardních podmínkách v hledišti, tedy uličky na obou stranách řad, se počet sedadel v jedné řadě pohybuje okolo dvaceti. Při příznivém umístění únikových cest lze tento počet zdvojnásobit (ČSN , 2013/Z1). Podrobnější vysvětlení návrhu uspořádání hledištního prostoru lze najít v ČSN příloze D.2. Obr. 11 Multifunkční aula GONG v Ostravě. Pohled do hlediště (Pokorný M., 2013). 2.4 Použité matematické programy Níže uvedené programy, budou použity v praktické části diplomové práce Fire dynamics simulator (FDS) FDS patří do kategorie CFD (Computational Fluid Dynamics) modelů. Simuluje pohyb tekutin vyvolaným tepelným zdrojem. Program řeší Navier-Stokesovy rovnice v závislosti na transportu tepla a kouři v průběhu požáru. Program je vyvíjen americkým institutem NIST (National Institute of Standards and Technology) a mnoha dalšími spolupracujícími. FDS je vhodný zejména pro výpočet: transportu tepla a hoření, transportu tepla konvekcí a radiací, pyrolýzy a šíření plamene. Tedy například pro sledování teplot ( C), sálání tepla (kw/m 2 ), rychlosti proudění (m/s) a výšky kouřové vrstvy (m) a mnoha dalších veličin. 20 / 75

32 Historický a současný stav problematiky Vstupní údaje se do programu vkládají pomocí textového souboru psaného ve specifickém programovacím jazyce. Textový soubor obsahuje všechny vstupní údaje charakterizující daný požární scénář. Program rozdělí výpočetní oblast na buňky. V každé této buňce je vypočítány potřebné charakteristiky v závislosti na časovém kroku. V závislosti na velikosti a tedy počtu těchto buněk se pak odvíjí přesnost a rychlost výpočtu. Výstupní údaje jsou předem definované veličiny jako: teplota, rychlost proudění, tepelný tok. Výslednou vizualizaci pak zajišťuje post-procesorový program Smokeview. Výstupní údaje lze zaznamenat i v numerické podobě (McGrattan, McDermott, Hostikka, & Floyd, 2007). Více o programu FDS lze najít v uživatelském manuálu pro FDS na odkazu: (McGrattan, McDermott, Hostikka, & Floyd, 2007) Argos Program využívá zónového modelu k simulaci požáru a pohybu zplodin hoření v objektu. Argos, od dánského institutu DIFT (Danish Institute of Fire and Security technology), využívá diferenciální rovnice pro zachování energie, hmoty a výměny chemických látek mezi zónami. Výpočet spočívá v rozdělení místností na jednu či dvě zóny se stejnými fyzikálními vlastnostmi. V počátku (zpravidla před flashover efektem), je prostor rozdělen na dvě zóny, horní horkou a dolní chladnou vrstvu. Díky následné interakci mezi zónami přechází simulace do jedno zónového modelu, kdy nastává flashover efekt. Argos je vhodný programem pro zjištění podmínek při evakuaci prostoru. Program do těchto podmínek zahrnuje sledování teplot ( C), výšky kouřové vrstvy (m), sálání tepla z horké vrstvy (kw/m 2 ), koncentrace kyslíku (%) a viditelnosti (m). Zónové programy jsou vhodným nástrojem pro prostory, kde nepřevažuje jeden rozměr (Deibjerg, Husted, Bygbjerg, & Westerman, 2005) Více o programu Argos lze najít v uživatelském manuálu pro Argos na odkazu: (Deibjerg, Husted, Bygbjerg, & Westerman, 2005) 21 / 75

33 Historický a současný stav problematiky Consolidated Model of Fire and Smoke Transport (CFAST) CFAST je dalším zónovým programem, který je vyvíjen pro simulace dopadu možných požárů v určitém prostoru. Využívá stejné charakteristiky jako program Argos (vysvětlení zónového modelu viz. Kapitola 2.4.2). Vývoj toho programu má na starosti již zmíněná společnost NIST (National Institute of Standards and Technology), tedy stejná společnost co vyvíjí program FDS. CFAST využívá pro výstupní údaje vizualizační program Smokeview, který je součástí celého balíčku (Peacock, Reneke, & Forney, 2012). Více o programu CFAST lze najít v uživatelském manuálu pro CFAST na odkazu: (Peacock, Reneke, & Forney, 2012) Pathfinder Program Pathfinder od americké společnosti Thunderheade Engineering je prostředek pro simulaci evakuace z budov a pro simulaci pohybu osob obecně. Pathfinder pracuje ve třech uživatelských režimech: v režimu grafického uživatelského rozhraní, v režimu výpočtu a v režimu 3D vizualizace. Program počítá ve dvou základních režimech. Režim SFPE počítá na základě poznatků popsaných v SFPE Handbook of Fire Protection Engineering (Nelson, Mowrer, 2002). Jednoduše řečeno, je to model proudění osob. Rychlosti pohybu jsou dány hustotou osob v každé místnosti a proudění osob dveřmi je dán šířkou dveří. V tomto režimu se osoby můžou navzájem překrývat a předbíhat což způsobuje méně reálné podmínky evakuace. Režim řízení zahrnuje v sobě jednotlivé charakteristické chování osob. Tento model poprvé popsal Craig Reynolds v knize Steering Behaviors For Autonomous Characters. Režim řízení je složitější a do jisté míry přesnější výpočet, kde program vytvoří kolem každé osoby prostor, který nelze překrývat či předbíhat. Obecně platí, že každé osobě předurčí program trasu (cíle), které musí během výpočtu dosáhnout. Tato skutečnost se však děje na začátku výpočtu, a to brání programu úpravu trasy během pohybu osob (Thunderhead, 2013). Více o programu Pathfinder lze najít v uživatelském manuálu pro Pathfinder na odkazu: (Thunderhead, 2013) 22 / 75

34 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla 3 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla v Praze 3.1 Úvod Vstupní charakteristiky V níže uvedeném textu bude provedena analýza požární bezpečnosti Národního divadla v Praze (dále jen ND). Tato analýza nebude sloužit jako jakási kontrola správné požární prevence. Bude sloužit jako příkladová studie prostoru v návaznosti na požadavky uvedené v přecházejících kapitolách převedená do praxe. Analýza se bude zaměřovat spíše na skutečné technické provedení požárního zabezpečení. Požárního provozu se tedy bude věnovat jen okrajově. Vzhledem ke skutečnosti, že analyzované divadlo není novostavbou, je třeba říci, že mnoho požárních předpisů při výstavbě či rekonstrukci nebylo v platnosti a nejsou tedy v divadle realizovány. V níže uvedených kapitolách jsou popsány požárně bezpečnostní opatřeny platící pro celý areál ND z velké části provedená v roce Stavebně - technické charakteristiky Národní divadlo v Praze měří na výšku 27 m. Vnitřní uspořádání vychází z původního členění od architekta J. Zítka, kde bylo po požáru v roce 1881 provedeno jen málo úprav. Vnitřní prostory divadla, vzhledem ke značné užitné náročnosti, jsou velmi členité, ne však zmatečné. Hlediště ND tvoří přízemí, dva balkony a dvě galerie. V 70. letech minulého století bylo zjištěno, že stávající budova značně nevyhovuje tehdejším i dnešním technickým požadavkům. Provedla se nákladná rekonstrukce, při nichž mimo jiné byla značně vylepšena protipožární ochrana. Zbudovalo se například sprinklerové 23 / 75

35 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla skrápění, nebo také nové požární větrání. Při rekonstrukci se také snížila kapacita divadla na dnešních 986 míst (Nitra, 2011). Jevištní a hledištní prostory dnes oddělují tři opony. První, přední požární železná opona, dále navazuje hlavní opona namalovaná V. Hynaisem a poslední třetí zadní požární opona. Obr. 12 Půdorys přízemí Národního divadla v Praze (Ivanov, 2000). Obr. 13 Řez Národního divadla v Praze (Ivanov, 2000). 24 / 75

36 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla 3.2 Požární dělení Požární úseky Při rekonstrukci v 70. letech minulého století byla budova rozdělena do několika požárních úseků. Z pohledu platné legislativy je rozměr horní hrany portálu k nevýše položenému bodu tahů větší než 4,5 m. Jeviště ND tedy hodnotíme jako jeviště s provazištěm. Hlavní rozdělení tvoří tedy požární úsek hlediště a požární úsek jeviště. Hlediště vzhledem ke své velikosti (přízemí, dva balkony a dvě galerie) a množství dveří tvoří s přilehlými foyery jeden požární úsek. Jeviště je od hlediště odděleno přední požární železnou oponou a od zákulisí je odděleno zadní požární oponou. Obr. 14 Pohled na provazoviště v Národním divadle s uzavřenou požární oponou (ND v Praze, 2013) Požární opona Požární opona oddělující jeviště a hlediště je umístěna před hlavní oponou od V. Hynaise. Tato požární opona nazývaná také železná, má tloušťku 15 cm a měří zhruba 12 m x 12 m. Vzhledem k velkým rozměrům opony je stanovena požární odolnost - EW 30 DP1. Požární odolnost opony je zvyšována skrápěním ze sprinklerových hlavic. Opona se spouští rychlostí 1,2 m/s. Její ovládání je umístěno v prostorech zákulisí a je také napojena na signál z elektrické požární signalizace. Může se tedy ovládat na dálku z centrálního velínu divadla. 25 / 75

37 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla Obr. 15 Požární opona v Národním divadle (Kaiser, 2013) Požární úzávěry Požární uzávěry tvoří v ND podstatnou část protipožárních opatření. V celé budově je bez mála tři sta požárních dveří s požární odolností EW 90 v kouřotěsném provedení. Aby se nenarušovala architektonická a historická hodnota prostoru, je více jak polovina těchto dveří přizpůsobena úpravě interiéru. Obr. 16 Požární uzávěr v Národním divadle (Kaiser, 2013). 26 / 75

38 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla 3.3 Stavební výrobky Na únikových cestách jsou na povrchy stěn a podlah použity nehořlavé materiály, hlavně mramor. Ve foyer je místy položen volný hořlavý koberec, tento případ však česká legislativa dovoluje. V hledištní prostoru jsou na čalounění sedadel a na koberce použity materiály sedadla s nízkým indexem šíření plamene. Všechny scénické dekorace a kulisy jsou protipožárně impregnovány. Elektroinstalace (více jak 200 km rozvodů) je vedena v požárně odolných ocelových trubkách. V divadle jsou použity měděné rozvody z důvodu opatření proti přehřívání vodičů a možného následného požáru. 3.4 Požárně bezpečnostní zařízení Mezi nejzajímavější protipožární opatření v ND patří požárně bezpečností zařízení. Najdeme zde velké množství těchto zařízení, které byly nákladným způsobem vybudovány při rekonstrukci v 70. letech a jsou v souladu s dnešními platnými předpisy Elektrická požární signalizace Elektrická požární signalizace (dále jen EPS) je ve shromažďovacích prostorách povinným požárně bezpečnostním zařízením. Z výše uvedeného a z důvodu ochrany kulturní a historické památky je v budově EPS instalována. Prostory ND obsahují více jak 1700 samočinných a tlačítkových hlásičů. Hlásiče jsou nejčastěji optickokouřová, nebo tepelná. Každé čidlo je adresováno na pult centrální ochrany do divadelního velína, kde je případný požár vyhodnocen. Systémem EPS se také může ovládat požární větrání (SOZ), požární klapky a požární oponu. Ve velínu ND je dále umístěno ovládání protipovodňových dveří v úrovni Vltavy, kde je sklad dekorací. 27 / 75

39 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla Samočinné stabilní hasicí zařízení Vzhledem ke skutečnosti, že ND je velkým shromažďovacím prostorem, je jeviště posuzováno jako jeviště s provazištěm. V zákulisí divadla se nachází mnoho skladových prostor s vysokým požárním zatížením. Z uvedeného vyplývá, že samočinné stabilní hasicí zařízení (dále jen SSHZ) přispívá k celkové požární bezpečnosti a k ochraně kulturní a historické památky. SSHZ je rozvedena na jevišti, pro skrápění jevištních prostor a pro skrápění požární opony. Dále je rozvedena po velké části zákulisí divadla např. do skladu dekorací a rekvizit, šaten, garderoby či dílen. Sprinklerové hlavice (patrony) jsou nastaveny na teplotu spuštění při 68 C. Technické místnosti pro SSHZ (vodní nádrže a ventilová stanice) jsou umístěny v suterénu ND. Zásobování vodou zajišťují vodní nádrže o objemu 200 m 3 vody. a) b) Obr. 17 a) Ventilová stanice SHZ v Národním divadle. b) Vodní nádrže SHZ v Národním divadle (Kaiser, 2013). V jevištním prostoru, přesněji na první lávce, bylo dříve vybudováno záplavové zařízení pro lehkou pěnu, která měla v případě požáru kapalin zaplavit jeviště požární pěnou. Toto zařízení, však bylo v posledních letech díky nákladné a pracné údržbě, demontováno a nenahrazeno. Obr. 18 Zařízení pro vytváření lehké hasební pěny (Kaiser, 2013). 28 / 75

40 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla Samočinné odvětrávací zařízení ND je velkým shromažďovacím prostorem, proto není pochyb o nutnosti zřízení SOZ. Toto zařízení musí nejen splňovat požadavky na větrání velkého prostoru, ale také požadavky architektonické a historické. Požární větrání je v hledišti ND vybudováno jako přirozené větrání. Je zřízeno v prostoru hlavního lustru. Přesněji v prostoru revizní šachty hlavního lustru, kde je dále vyvedeno na střechu. Ovládat SOZ lze z prostoru jeviště nebo přímo z centrálního pultu ochrany v divadelním velínu. a) b) Obr. 19 a) Přirozené samočinné odvětrávací zařízení. Pohled z hlediště. b) Přirozené samočinné odvětrávací zařízení. Pohled z revizní šachty (Kaiser, 2013). 3.5 Únikové cesty S ohledem na velikost a členitost ND, bylo zapotřebí vhodným způsobem zajistit únik diváků. Únik osob z hlediště je zajištěn prostornými foyery, které vedou na čtyři hlavní schodiště. Schodiště jsou prostorná, šířky nejméně 2,2 m, tedy čtyři únikové pruhy. Tato skutečnost zajišťuje dostatečně rychlou evakuaci osob i z nejvyššího podlaží ND. Na všech únikových cestách jsou použity nehořlavé materiály a je zřízeno dostatečné nouzové osvětlení. Vzhledem k faktu, že ND je historickou a kulturní památkou, nejsou v historické části ND umístěny tabulky označující únikové východy. 29 / 75

41 Analýza požární bezpečnosti Národního divadla Obr. 20 Schodiště vedoucí z 1. balkónu Národního divadla (ND v Praze, 2013). V historické budově ND se kromě rozsáhlých hledištních prostorů nachází také zákulisní prostory, které zajišťují kompletní provoz ND. Do těchto prostor patří kromě jevištních prostor, šatny, garderoby, maskérny, zázemí techniků a kanceláře. Celkový provoz divadla zajišťuje velké množství zaměstnanců. Pro bezpečnou evakuaci těchto osob byly při rekonstrukci divadla zřízeny čtyři chráněné únikové cesty typu A. Všechny CHÚC jsou větrány přirozeně, otevíratelnými okny, umístěnými v každém podlaží. 3.6 Závěr Závěrem lze konstatovat, že protipožární opatření v ND jsou dostatečná. Riziko vzniku požáru, šíření požáru a případné vzniklé škody jsou minimalizovány. Hasičský záchranný sbor hl. m. Prahy, provádí pravidelná požární cvičení v budově, která zlepšují připravenost nejen samotných hasičů, ale hlavně zaměstnanců divadla. Budova ND je příkladnou stavbou sloučení a interakce historické a kulturní památky se sofistikovaným požárně bezpečnostním zabezpečením stavby. 30 / 75

42 Případová studie divadelního prostoru 4 Případová studie divadelního prostoru Případová studie, anglickým názvem Case study, má za úkol vhodným způsobem zachytit složitost problému ve vztahu v jejich komplexnosti. Podstatou případové studie je, že prozkoumáním jednoho případu porozumíme podobným případům. 4.1 Úvod Divadelní studie Divadla jsou velmi složité, často členité, a svým objemem veliké prostory. Každé divadlo je pak svým architektonickým řešením, charakterem a stavebními prvky odlišné. Tyto prostory se však vždy skládají, ať už z většího či menšího, jeviště a hlediště, které jsou od sebe (požárně či nikoliv) oddělené jevištním portálem. Tohoto faktu bylo využito v případové studii divadelního prostoru. Díky velké náročnosti na čas a výpočetní techniku není možné dokonale modelovat reálné divadlo. Z toho důvodu byla využita případová studie, která má za úkol převést určitý problém z praxe a vysvětlit ho na zjednodušeném modelu. V případě divadla byl vytvořen prostor, který svou velikostí a parametry odpovídá reálnému divadlu, byl však zjednodušen do přijatelné míry. Je třeba konstatovat, že pro potřebné výstupy z modelu, toto zjednodušení nemá podstatný vliv na výsledky. Pro toto modelování studie bylo vybráno několik softwarů. Jako základní model, byl vybrán CFD model, přesněji modelování v programu FDS (Fire Dynamics Simulator) v nejaktuálnější verzi 6.0.1, který je vhodný pro sledování pohybu zplodin hoření, teplot, rychlosti proudění, výšky kouřové vrstvy a dalších veličin. Dalším důvodem proč byl vybrán program FDS, je v zásadě neomezená variabilita požárních scénářů a je vhodným zdrojem informací pro rozsáhlé prostory, jako jsou divadla. Nevýhodou je však veliká časová náročnost 31 / 75

43 Případová studie divadelního prostoru na výpočty a náročnost znalostí uživatele v oboru požárního inženýrství. Více o programu FDS je napsáno v samostatné kapitole Pro porovnání výsledků byly vybrány zónové modely Argos a CFAST. Oba tyto programy splňují výstupní požadavky, které v této studii požadujeme. Výhodou obou programů je uživatelská a časová nenáročnost. Oběma jmenovaným programům je věnována samostatná kapitola a Vzhledem ke skutečnosti, že jedním z výsledků bude porovnání doby zakouření a doby evakuace, bude k účelu výpočtu přesné doby evakuace sloužit program Pathfinder. Tento program je vhodný pro simulaci pohybu osob a evakuace v jakémkoliv prostoru. Více informací o programu Pathfinder lze nalézt v samostatné kapitole Charakteristiky prostoru Z výše uvedeného textu je tedy zřejmé, že byl vytvořen fiktivní divadelní prostor, který z hlediska požární bezpečnosti staveb odpovídá platným normám. Aby prostor co nejvíce odpovídal reálnému prostoru, byl vytvořen jako shromažďovací prostor (dle ČSN ) i navazujícími požadavky jako je SOZ. Pro jednoduchost je umístěn v prvním nadzemním podlaží a skládá se z jevištní a hledištní části, které tvoří jeden samostatný požární úsek. Celkové půdorysné rozměry divadla jsou 32 m x 17 m (544 m 2 ). Hledištní část zabírá 20 m x 17 m s výškou 12 m. Pro přesnější výsledky je v hledišti zbudována elevace pro sedadla s celkovým převýšením 2 m. Pro únik osob slouží tři únikové východy a rozměrech dvakrát 1,2 m x 2 m a jednou 1,6 m x 2 m. Hlediště je dimenzované pro kapacitu 374 osob. Jevištní portál neboli portálové okno má rozměry 11 m na šířku a 5 m na výšku. Tento průzor vede do jevištního prostoru o půdorysných rozměrech 12 m x 17 m s výškou 7 m. Jeviště je od hlediště výškově o jeden metr posunuto nahoru z důvodu simulace propadla v jevišti. SOZ je umístěno v hledištním prostoru a je navrženo dle ČSN příloha H s reálnými větracími klapkami. Všechny okrajové materiály jsou voleny jako prostý beton o tl. 200 mm respektive 500 mm v případě jevištního portálu. 32 / 75

44 Případová studie divadelního prostoru Na obr. č. 21 je zobrazen půdorys a řez objektem. PŮDORYS: ŘEZ: Obr. 21 Půdorys a řez divadelního prostoru. 33 / 75

45 Případová studie divadelního prostoru Cíle případové studie A) Porovnání divadelního prostoru bez instalovaného SOZ s dobou evakuace V první fázi případové studie bude na modelu divadla bez instalovaného SOZ, podle reálného požárního scénáře, analyzována výška kouřové vrstvy ve vztahu k době evakuace. Tímto modelem bude prokázána potřeba SOZ pro bezpečnou evakuaci osob. B) Realizace 1. požárního scénáře v divadelním prostoru Ve druhé fázi bude modelován reálný požární scénář v divadelním prostoru s použitým SOZ v programu FDS. Cílem toho modelu bude sledování chování kouře a plemene a měření důležitých hodnot jako jsou výška kouřové vrstvy, teplota, rychlost proudění a sálání tepla. Následně bude provedeno porovnání s dobou evakuace a s variantou prostoru bez instalovaného SOZ. C) Porovnání výsledků v CFD modelu se zónovým a numerickým modelem V další fázi bude provedeno porovnání výsledků z programu FDS se zónovými modely Argos a CFAST a s numerickým modelem dle ČSN D) Realizace 2. požárního scénáře v divadelním prostoru V poslední fázi bude modelován, v programu FDS, druhý požární scénář zaměřen především na sálání tepla z požáru na jevišti a s tím spojená bezpečná evakuace osob kolem jeviště. 4.2 Doba evakuace případové studie Doba evakuace byla zjištěna v programu Pathfinder. Byl vymodelován prostor dle charakteristik případové studie. Osoby byly v hledišti umístěny dle reálného způsobu, vycházející z praxe, v řadách širokých 550 mm po 23 sedadlech v každé řadě. O pevně připevněná sedadla byla kapacita zvýšena po stranách o přístavková sedadla, což jen zvyšuje reálnost celého prostoru. 34 / 75

46 Případová studie divadelního prostoru Celková kapacita divadelního prostoru potom činí 374 osob. V objektu jsou umístěné tři únikové východy. V dolní části hlediště dva únikové východy na každé straně o velikostí 1,2 m x 2 m. V horní části hlediště jeden východ o velikosti 1,6 m x 2 m. Pohyb osob v simulaci, byl pro přesnější výsledky, usměrněn tak aby evakuace probíhala rovnoměrně do všech únikových východů. Pro zjednodušení, osoby unikají z prostoru hlediště přímo na volné prostranství. Tento fakt lze zdůvodnit cílem porovnání doby evakuace a výšky kouřové vrstvy. Z toho důvodu pro výsledné hodnoty není třeba modelovat následující únikové cesty. a) b) Obr. 22 Vizualizace modelování doby evakuace (Pathfinder) v případové studii. a) Doba evakuace 0 s. b) Doba evakuace 33 s. Z výsledků byla zjištěna doba evakuace z hlediště rovna 97,0 s respektive 1,62 min. Tato hodnota bude v dalších výpočtech porovnávána s dobou zakouření divadelního prostoru. 35 / 75

47 Případová studie divadelního prostoru 4.3 Popis CFD modelu případové studie Okrajové podmínky Okrajové podmínky, jako jsou použité materiály a teploty těchto materiálů, jsou důležitou vstupní podmínkou pro CFD modely. V programu FDS se velikosti okrajových ploch zadávají pomocí definování tloušťky a definování tepelně-technických veličin. Pro všechny konstrukční materiály v divadelním prostoru byl použit beton o tl. 200 mm, respektive v případě divadelního portálu o tl. 500 mm. Tepelně-technické veličiny betonu: a) Součinitel tepelné vodivosti λ = 1,2 W/m/K, b) Měrná tepelná kapacita c = 0,88 kj/kg/k, c) Objemová hmotnost ρ = 2400 kg/m 3. Počáteční teploty materiálů byly zvoleny 20 C. Všechny tyto charakteristiky byly použity v obou požárních scénářích Výpočetní síť Od hrubosti výpočtové sítě se odvíjí nejen přesnost výsledků, ale taky velmi razantně časová náročnost výpočtu. Při volení velikosti sítě je třeba brát v úvahu velikost prostoru a požadovaný tepelný výkon hořáku. Obecně lze říci, že čím menší máme tepelný výkon (W) tím jemnější musíme volit výpočetní síť. Vzhledem k velikosti divadelního prostoru, bylo třeba volit velikost výpočetní sítě obezřetně ve vztahu k délce výpočtu. V tab. č. 2 jsou uvedeny velikosti výpočetních sítí pro jednotlivé modely případové studie. Tab. 2 Charakteristiky výpočetní sítě pro jednotlivé modely. Model Velikosti buněk v síti (mm) Počet buněk Divadelní prostor bez SOZ 1. požární scénář 25 x 25 x Divadelní prostor se SOZ 1. požární scénář 25 x 25 x (dvě varianty výpočetních sítí) 12,5 x 12,5 12, Divadelní prostor se SOZ 2. požární scénář 25 x 25 x Výpočetní síť 25 mm je pro tento prostor, vzhledem k požadovaným tepelným výkonům, dostačující. V případě 1. požárního scénáře s instalovaným SOZ byla výpočetní síť o 50 % zmenšena na 12,5 mm z důvodu porovnání výsledků s větší výpočetní sítí. Tato skutečnost také povede k dosažení přesnějších výsledků hlavního modelu. 36 / 75

48 Případová studie divadelního prostoru Obr. 23 Vizualizace modelování divadelního prostoru (program Smokeview). Ukázka výpočetní sítě 25 mm pro 1. požární scénář divadelního prostoru s SOZ Měření veličin Na obr. č. 24 lze vidět umístění jednotlivých měřících zařízení v daném prostoru. Obr. 24 Umístění měřících zařízení pro CFD model. Smoke layer height, Upper temperature, Lower temperature (zeleně): Měření výšky kouřové vrstvy (m), měření vrchní a spodní teplotní vrstvy ( C) TC_1 (červeně): Termočlánek měřící bodovou teplotu ( C) R_1 (fialově): Radiometr měřící bodové dopadání tepelného toku (kw/m 2 ) Sonda_1-3 (modře): Rychlostní sondy měřící rychlost proudění vzduchu v ose dveří (m/s) 37 / 75

49 Tepelný výkon (MW) Případová studie divadelního prostoru 4.4 Případová studie 1. požárního scénáře CFD model Charakteristika požárního scénáře 1. požární scénář je vytvořen dle reálných předpokladů požáru, které by mohly v divadle nastat. Tento scénář předpokládá požár kapaliny v hydraulickém propadlišti. Studie předpokládá vytečení a následné hoření 20 l transformačního oleje na ploše 2 m 2 do propadliště. Výpočet tepelného výkonu pro hoření transformačního oleje (Karlsson & Quintiere, 2002): m = 0,039 kg/m 2 s, Hc = 46,4 MJ/kg, kβ = 0,7 m -1, A = 2 m 2 Obvod požáru: 4 A 4 2 D 1, 6m (2) Rychlost odhořívání: s m m 1 exp k D 0,039 1 exp 0,7 1,6 0,026 kg/ m 2 (3) Tepelný výkon: Q A m 0,7 H c 2 0,026 0,7 46,4 1, 69MW (4) Z důvodu extrémně rychlého nárůstu hoření kapalin je tepelný výkon v závislosti na čase brán konstantní. 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Čas (min) Obr. 25 Výstupní tepelný výkon 1. požárního scénáře z programu FDS. 38 / 75

50 Případová studie divadelního prostoru Výsledky 1. požárního scénáře bez instalovaného SOZ Simulace 1. požárního scénáře bude porovnána s dobou evakuace a se simulací, kdy SOZ je instalováno. Na obr. č. 26 lze vidět průběh požáru. a) b) Obr. 26 Vizualizace modelování 1. požárního scénáře bez SOZ (program Smokeview). a) Čas simulace 0 s. b) Čas simulace 120 s respektive 2 min. Dále byla sledována výška kouřové vrstvy, která v závislosti na době evakuace nesmí klesnout pod 3 m nad nejvyšší úrovní podlahy. Elevace v případové studii činní 2 m. Z toho vyplývá, že kouřová vrstva nesmí v závislosti na době evakuace klesnout pod 5 m. Doba evakuace dle výše uvedeného výpočtu činí 1,62 min. 39 / 75

51 Teplota ( C) Výška kouřové vrstvy (m) Případová studie divadelního prostoru Výška kouřové vrstvy Doba evakuace Limit. Kouřové vrstvy Čas (min) Obr požární scénář bez SOZ. Srovnání výšky kouřové vrstvy a doby evakuace. Z obrázku je patrné, že k dosažení kouřové vrstvy 5 m dochází dříve, než je dokončena evakuace osob. Tato skutečnost potvrzuje nutnost instalace SOZ pro možnost bezpečné evakuace. Na obr. č. 28 lze vidět teploty horní kouřové vrstvy v hledištním prostoru Čas (min) Obr požární scénář bez SOZ. Teploty horní kouřové vrstvy v hledištním prostoru. 40 / 75

52 Případová studie divadelního prostoru Návrh samočinného odvětrávacího zařízení Výpočet bude proveden dle metodiky uvedené v ČSN příloha H. Tento postup výpočtu, je určen pro přirozené větrání v horní části objektu. Pro náročnost výpočtu, zde budou uvedeny pouze vstupní a výstupní hodnoty. Celou metodiku a výpočetní vzorce lze najít v ČSN příloha H. 5 a bude také uvedena v příloze č. 2. Vstupní hodnoty: Velikost kouřové sekce (jeviště + hlediště) Ak = 544 m 2 Tepelný výkon Q = 1690 kw Průměrná výška objektu hv = 11 m (Průměrná výška prostoru) Výška akumulační vrstvy hk = 3 m Vnitřní teplota prostoru To = 20 C Výstupní hodnoty: Množství uvolněných plynů Mf = 33,67 kg/s Teplota v horní vrstvě Tg = 70,19 C Objemová hmotnost vzduchu ρo = 1,21 kg/m 3 Objemová hmotnost plynů ρg = 1,03 kg/m 3 Rychlost odváděných plynů Vv = 32,64 m 3 /s Rychlost přiváděného vzduchu Vp = 27,87 m 3 /s Vztlak odváděných plynů Δ ρv = 5,2 Pa Vztlak přiváděného vzduchu Δ ρp = 12,13 Pa Rychlost odváděných plynů vv = 3,18 m/s Rychlost přiváděného vzduchu vp = 4,48 m/s Aerodynamická plocha klapek Aav = 10,28 m 2 Aerodynamická plocha přívodu vzduchu Aap = 6,22 m 2 V hledištním prostoru budou navrženy reálné požární klapky, přesněji 8x požární světlík Eternit Fumilux 4000 o rozměrech 1 m x 2,4 m bez spoileru. Aerodynamická plocha jedné klapky činí 1,8 m 2. Pro přívod vzduchu jsou v hledišti umístěny dvoje dveře o rozměrech 1,2 m x 2 m a jedny dveře o rozměrech 1,6 m x 3 m. 41 / 75

53 Případová studie divadelního prostoru Posouzení: 8 x 1,8 = 14,4 m 2 10,28 m 2 Odvody vzduchu vyhovují. 2 x 1,2 x 2 + 1,6 x 2 = 8 m 2 6,22 m 2 Přívody vzduchu vyhovují. Rozložení požárních klapek je vidět na obr. č. 29. Obr. 29 Rozložení požárních klapek a přívodů vzduchů v divadelním prostoru. Otevření odvodů i přívodů plynů jsou v modelu simulováno detekcí elektrické požární signalizace. Odvody i přívody se na povel otevřou po 60 s simulace. Tato skutečnost odpovídá postupu při reálném požáru. 42 / 75

54 Teplota TC_1 ( C) Případová studie divadelního prostoru Výsledky 1. požární scénáře s instalovanou SOZ Z výše uvedených skutečností je patrné nutnost instalace SOZ. Tento fakt potvrzuje také česká legislativa, která určuje požadavek instalace SOZ do shromažďovacího prostoru. K tomuto modelu bude použit stejný požární scénář jako v předešlé simulaci dle kapitoly Budou měřeny stejné veličiny jako v předešlém příkladu. Navíc budou zjištěny rychlosti proudění v jednotlivých přívodech vzduchu ve vztahu k limitu proudění dle ČSN V poslední části dojde k porovnání obou simulací. Tento případ byl pro přesnost a také pro ukázku odlišnosti simulován ve dvou variantách velikostí výpočetní sítě (viz ): První varianta se sítí 25 mm, druhá varianta se sítí 12,5 mm. Na obr. č. 30 lze vidět obě tyto varianty. Porovnávány byly hodnoty termočlánku TC_1 umístěného nad plamenem Čas (min) Síť 25 mm Síť 12,5 mm Obr. 30 Porovnání teplot TC_1 pro síť 25 mm a 12,5 mm. Z obrázku je patrné, že jemnější síť 12,5 mm má značně menší výkyvy teplot než hrubší síť 25 mm. Tento fakt vede k dosažení přesnější výsledků. 43 / 75

55 Výška kouřové vrstvy (m) Případová studie divadelního prostoru Na obr. č. 31 lze vidět průběh požáru. a) b) c) d) Obr. 31 Vizualizace modelování 1. požárního scénáře s instalovanou SOZ (program Smokeview). a) Čas simulace 0 s. b) Čas simulace 59 s respektive 0,98 min. c) Čas simulace 180 s respektive 3 min. d) Čas simulace 300 s respektive 5 min simulace bez SOZ Simulace se SOZ Limit. Kouřové vrstvy Čas (min) Obr požární scénář se SOZ. Srovnání výšky kouřové vrstvy. 44 / 75

56 Teplota ( C) Případová studie divadelního prostoru Z obr č. 31 a 32 je zřetelná účinnost SOZ. Z obr. č. 32 je patrný správný návrh a správná dimenze požárních klapek, které přesně udrží výšku kouřové vrstvy na hranici 5 m nad nejvyšším místem podlahy. Klapky tedy zaručí bezpečnou evakuaci osob pro celou dobu jejich fungování. Z grafu také lze zřetelně pozorovat pokles kouře pod úroveň 5 m okolo 1,5 2 min. Tato skutečnost je vysvětlována zpožděním otevření požárních klapek. Doba otevření byla simulována signálem od elektrické požární signalizace v 1. min od začátku požáru. Tento fakt dokazuje důležitost včasného zaznamenání požáru. Na obr. č. 33 lze pozorovat snížení teploty v horní kouřové vrstvě v hledištním prostoru účinkem SOZ. Obecně nižší teploty v obou simulacích jsou vysvětleny velkým divadelním prostorem a tedy i velkým prostorovým objemem, který se nestačí za dobu požáru ohřát. Nízká teplota plynů však negativně působí na účinnost SOZ Čas (min) Simulace bez SOZ Simulace se SOZ Obr požární scénář se SOZ. Srovnání teplot horní vrstvy v hledišti Další fázi 1. požárního scénáře bylo sledování hodnot rychlosti proudění v osách jednotlivých dveří. Dle ČSN přílohy H, v otvorech sloužící pro přívod vzduchu nesmí přesáhnout rychlost proudění 7 m/s. Otvory sloužící pro přívod vzduchu a současně pro evakuaci osob nesmí rychlost proudění přesáhnout 5 m/s. V této studii přívody vzduchu slouží současně pro únik osob. Pro lepší přehlednost, je Sonda_1 a Sonda_2 umístěna v dolních dveřích blíže k jevišti a Sonda_3 je umístěna v horní části hlediště, dále od jeviště. 45 / 75

57 Rychlost proudění (m/s) Případová studie divadelního prostoru 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Čas (min) Sonda_1 Sonda_2 Sonda_3 Limit. Rychlosti proudění 15 Procento klouzavého průměru (Sonda_1) 15 Procento klouzavého průměru (Sonda_2) 15 Procento klouzavého průměru (Sonda_3) Obr požární scénář se SOZ. Rychlosti proudění vzduchu ve dveřích. Z výše uvedeného obrázku je zřetelné, že rychlost proudění v jednotlivých dveřích je takřka stejná. V žádných dveřích, sloužících jako únikové východy, není překročen limit rychlosti proudění 5 m/s. V 1. minutě simulace je vidět plné otevření dveří a následný razantní nárůst rychlosti. 46 / 75

58 Případová studie divadelního prostoru 4.5 Porovnání hodnot se zónovým a numerickým modelem Porovnány budou hodnoty výšky kouřové vrstvy v obou simulacích 1. požárního scénáře. Porovnání bude provedeno pomocí zónového modelu v programech Argos a CFAST. A také numerickým modelem dle doby zakouření uvedeného v ČSN Zónové modely, jsou uživatelsky nenáročné programy s rychlým výpočetním procesem. Všechny okrajové podmínky jako tloušťky zdí, charakteristika materiálů, velikosti otvorů a počáteční podmínky byly přizpůsobeny hodnotám jako v případě simulace CFD modelu (dle kapitoly 4.3). Požární scénář v zónových modelech je simulován se stejnými charakteristikami jako v případě CFD modelu, tedy dle kapitoly požární scénář bez instalovaného SOZ Numerický model je proveden dle ČSN pol tedy výpočet doby zakouření ve shromažďovacím prostoru. Tento numerický model počítá dobu, kdy dojde k zakouření prostoru do úrovně 2,5 m nad podlahou. Z důvodu potřebné výšky pro bezpečnou evakuaci 5 m bude upravena výška prostoru hs = 12 2,5 = 9,5 m. a dle ČSN pol. 6.4 c dle ČSN pol nenainstalované žádné PBZ t e 1,25 hs a c 1/ 2 1,25 9,5 1,13 1 1/ 2 3,41 min (5) Kde: te doba zakouření (min) hs světlá výška prostoru (m) a součinitel vyjadřující rychlost odhořívání c součinitel vyjadřující vliv požárně bezpečnostních zařízení. 47 / 75

59 Výška kouřové vrstvy (m) Případová studie divadelního prostoru neposkytuje. Na obr. č. 35 lze vidět vizualizaci z programu CFAST. Program Argos žádnou vizualizaci Obr požární scénář bez SOZ. Vizualizace zónového modelu (CFAST). Čas simulace 150 s respektive 2,5 min Výsledné porovnání CFD modelu (FDS), zónového modelu (Argos, CFAST) a numerického modelu (ČSN ) je vidět na obr. č Čas (min) FDS Argos CFAST ČSN Limit. Kouřové vrstvy Obr požární scénář bez SOZ. Porovnání výšky kouřové vrstvy v CFD modelu (FDS), zónovém modelu (CFAST, Argos) a numerickém modelu (ČSN). 48 / 75

60 Případová studie divadelního prostoru Z výše uvedeného obrázku je patrná shodnost obou zónových modelů s numerickým modelem. Ve všech těchto modelech dochází k době poklesu kouře pod úroveň 5 m okolo 3,5 min. Numerický model (ČSN ) vytváří oběma zónovým modelům (Argos, CFAST) jakousi průměrnou hodnotu. CFD model (FDS) nám dává značně jiné hodnoty, kdy dochází k poklesu výšky kouřové vrstvy pod bezpečnou úroveň již v prvních minutách simulace. Tato skutečnost potvrzuje přesnost výpočtu CFD modelu. Zónové modely mají tento pokles pozvolný a dochází k zakouření později požární scénář s instalovaným SOZ Numerický model je proveden dle ČSN pol tedy výpočet doby zakouření ve shromažďovacím prostoru. hs = 12 2,5 = 9,5 m. a dle ČSN pol. 6.4 c dle ČSN pol. 6.6 instalováno SOZ dle rovnice (5): t e 1,25 hs a c 1/ 2 1/ 1,25 9,5 1,13 0,65 2 5,25 min neposkytuje. Na obr. č. 37 lze vidět vizualizaci z programu CFAST. Program Argos žádnou vizualizaci Obr požární scénář se SOZ. Vizualizace zónového modelu (CFAST). Čas simulace 150 s respektive 2,5 min 49 / 75

61 Výška kouřové vrstvy (m) Případová studie divadelního prostoru Výsledné porovnání CFD modelu (FDS), zónového modelu (Argos, CFAST) a numerického modelu (ČSN ) je vidět na obr. č Čas (min) FDS Argos CFAST ČSN Limit. Kouřové vrstvy Obr požární scénář se SOZ. Porovnání výšky kouřové vrstvy v CFD modelu (FDS), zónovém modelu (CFAST, Argos) a numerickém modelu (ČSN). Z obrázku je znovu zřejmá podobnost obou zónových modelů. Výška kouřové vrstvy dle zónového modelu (Argos, CFAST) neklesne pod úroveň 5 m, tato skutečnost dokazuje správné dimenzování samočinného odvětrávacího zařízení. Ve srovnání s CFD modelem (FDS) mají zónové modely znovu pozvolnější pokles výšky kouřové vrstvy. Lehké nepřesnosti zónových modelů jsou vysvětlovány nemožností určit polohu větracích klapek (vstupní hodnotou je pouze celková plocha větrání). Numerický model (ČSN ) nám říká v jaké době, v závislosti na SOZ, dojde k zakouření prostoru. Toto tvrzení je do jisté míry nelogické, protože jak dokazují matematické modely, použitá SOZ svým dimenzování nepustí hladinu kouře pod určitou úroveň až do doby správné funkčnosti větracích klapek. Tato doba bývá 15 minut. Tedy doba do započetí požárního zásahu hasičů. 50 / 75

62 Tepelný výkon (kw) Případová studie divadelního prostoru 4.6 Případová studie 2. požárního scénáře CFD model Charakteristika požárního scénáře Protože simulace požáru v propadlišti, jako bylo uvedeno v 1. požárním scénáři, nemá z hlediska sálání tepla prakticky žádný efekt, je třeba zjistit podmínky prostoru při požáru přímo v úrovni jeviště. K tomuto slouží 2. požární scénář, který simuluju požár jevištního materiálu v úrovni jeviště a jeho dopad na unikající osoby z hlediska sálání tepla. Požár je umístěn na okraji jeviště, aby byly zajištěny nejméně příznivé podmínky. Pro simulaci požáru byl použit tzv. t-kvadratický požár dle (ČSN EN , 2013/Opr.3). Q 10 6 t 2 t (6) Kde: Q tepelný výkon (kw) t čas (s) tα čas potřebný k dosažení 1 MW (s). Dle tabulky E. 5 zmiňované normy rychlost uvolňování tepla pro divadla je RHRf = 500 kw/m 2 a čas potřebný k dosažení 1MW je tα = 150 s. Požár byl zvolen na ploše 4 m 2. Maximální výkon požáru je tedy Q = 2000 kw. Graf pro tepelný výkon je znázorněn na obr. č Čas (min) Obr. 39 Výstupní tepelný výkon 2. požárního scénáře z programu FDS. 51 / 75

63 ) Tepelný tok (kw/m2) Případová studie divadelního prostoru Výsledky 2. požárního scénáře V tomto požárním scénáři byl sledován tepelný tok ohrožující případné unikající osoby. Radiometr pro měření byl umístěn dva metry před úrovní jeviště v místě předpokládaného úniku osob. Na obr. č. 40 lze vidět průběh požáru a umístění radiometru. Na obr. č. 41 lze vidět výsledný tepelný tok se srovnáním s tepelným tokem od 1. požárního scénáře. a) b) Obr požární scénář. a) Vizualizace modelování (program Smokeview) doba simulace 420 s respektive 7 min. b) Umístění radiometru požární scénář 1. požární scénář Čas (min) Obr. 41 Porovnání hodnot dopadajícího tepelného toku. Z výše uvedeného obrázku je vidět, že tepelný tok z 1. požární scénáře je zanedbatelný. Tepelný tok z 2 požárního scénáře se několika násobně zvýšil, a však nepřesahuje mezní hodnotu pro nebezpečí osob 10 kw/m 2 (ČSN , 2013/Z3). Bezpečný únik osob kolem jeviště je tedy zajištěn. A však v případě mírného zvýšení tepelného výkonu požáru, by mohla být tato hodnota překročena. To by mohlo mít za následek ohrožení osob či rozšíření požáru do hlediště jako tomu bylo v případě požáru v divadle Iroquois. 52 / 75