Diplomi-insinööri Juha-Pekka Laaksonen

Aalto-yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Rakennustekniikan laitos Tommi Nieminen SIMULOINTI KORKEIDEN LIIKERAKENNUSTEN POISTUMISTURVALLISUUDEN KEHITTÄMISESSÄ Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 30.5.2011. Työn valvoja: Työn ohjaaja: Professori Jari Puttonen Diplomi-insinööri Juha-Pekka Laaksonen

AALTO-YLIOPISTO TEKNIIKAN KORKEAKOULUT PL 11000, 00076 AALTO http://www.aalto.fi DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: TkK Tommi Nieminen Työn nimi: Simulointi korkeiden liikerakennusten poistumisturvallisuuden kehittämisessä Korkeakoulu: Insinööritieteiden korkeakoulu Laitos: Rakennustekniikan laitos Professuuri: Talonrakennustekniikka Koodi: Rak-43 Työn valvoja: Professori Jari Puttonen Työn ohjaaja(t): Diplomi-insinööri Juha-Pekka Laaksonen Korkeista rakennuksista ja niistä poistumisesta on Suomessa vasta vähän kokemuksia, eikä niihin liittyviä erityispiirteitä siten ole juuri huomioitu Suomen nykyisissä poistumismääräyksissä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää poistumissimuloinnin avulla tärkeimmät korkeista rakennuksista poistumiseen vaikuttavat tekijät ja arvioida niiden merkitystä poistumisturvallisuudelle. Lisäksi tavoitteena oli arvioida, miten hyvä poistumisturvallisuustaso Suomen nykyisillä poistumismääräyksillä saavutetaan, ja millä muilla ratkaisuilla voitaisiin päästä samaan tai parempaan lopputulokseen. Samalla testattiin myös simuloinnin käyttökelpoisuutta poistumistutkimuksessa. Tutkimuksen pohjaksi selvitettiin Suomessa käytettävät poistumismääräykset ja -mitoitusmenetelmät, tutustuttiin ihmisten käyttäytymistä poistumistilanteessa käsittelevään sosiaalipsykologian kirjallisuuteen sekä perehdyttiin olemassa olevien korkeiden rakennusten poistumisjärjestelyihin. Varsinaista tutkimusta varten valittiin sopiva poistumissimulointiohjelma (FDS+Evac), jonka toimintaa validoitiin todellisia poistumisharjoituksia simuloimalla. Simulointiohjelmalla tutkittiin ensin tiettyjen poistumisgeometrian yksityiskohtien vaikutusta poistumiseen, minkä jälkeen testattiin erilaisten poistumisratkaisujen toimivuutta 40-kerroksisen esimerkkirakennuksen avulla. Tutkimuksessa todettiin simuloinnin olevan käyttökelpoinen työkalu erilaisten poistumisratkaisujen vertailussa. Simulointien perusteella havaittiin, että Suomessa yleisen 1200 mm leveän uloskäytävän toimintaa voitaisiin parantaa luopumalla ylileveistä välitasanteista sekä ovisyvennyksistä ja käyttämällä näin vapautuva tila portaan leventämiseen 1300-1400 mm:iin. Lisäksi todettiin, että 40-kerroksisessa esimerkkirakennuksessa suomalaisten taulukkopalomääräysten mukaiset uloskäytävät olivat riittävät, mutta ne eivät käyttäneet varaamaansa tilaa kovin tehokkaasti. Poistuminen sujuisikin nopeammin, mikäli porraskapasiteettia kohdennettaisiin rakennuksen alaosaan. Poistumisturvallisuutta voitaisiin parantaa myös ottamalla rakennuksen hissit evakuointikäyttöön ja suorittamalla evakuointi vaiheittain. Päivämäärä: 30.5.2011 Kieli: Suomi Sivumäärä: 114 Avainsanat: Poistuminen, evakuointi, korkea rakennus, poistumissimulointi, FDS+Evac

AALTO UNIVERSITY SCHOOLS OF TECHNOLOGY PO Box 11000, FI-00076 AALTO http://www.aalto.fi ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Author: Tommi Nieminen B.Sc. (tech.) Title: Simulation in the Improvement of Egress Safety in Tall Buildings School: School of Engineering Department: Department of Civil and Structural Engineering Professorship: Structural Engineering and Building Physics Code: Rak-43 Supervisor: Professor Jari Puttonen Instructor(s): Juha-Pekka Laaksonen M.Sc. (tech.) Tall buildings being rare in Finland, the present Finnish egress regulations have been made for buildings of moderate height only, not taking into account the special characteristics of tall buildings. The objective of this thesis was to use evacuation simulation to establish the deciding factors in the egress from tall buildings and to evaluate their role in egress safety. In addition, the objective was to measure the level of egress safety ensued from the present Finnish regulations and to discover further means to reach an equivalent or even higher safety level in tall buildings. Also, the suitability of simulation as a method in egress research was thus piloted in the thesis. The Finnish egress regulations and design methods constituted the groundwork for the research. In addition, social psychology literature was consulted to study human behaviour in evacuation situations and the egress systems of existing tall buildings were examined. Next, a suitable evacuation simulation program (FDS+Evac) was chosen and validated for the research by first simulating real life evacuation drills. Finally, the program was used to examine the role of staircase geometry in evacuation and the functionality of various egress systems in a 40-storey model building. The study proved simulation a useful tool for comparing different egress systems. First, the simulations revealed that a typical Finnish staircase, now 1200 mm wide, could be improved by widening it to 1300 1400 mm. This could be done within the limits of the stair floor area by reducing the landings that the study showed to be oversized and removing the embrasures that were found to be redundant. Second, the simulation of a 40-storey model building proved that an egress system designed following the Finnish regulations would in fact function rather well in buildings up to this height. However, the system was found to waste floor area, and it was discovered that concentrating the overall egress capacity to the lower part of the building would allow to speed up the evacuation. Finally, it was noted that the egress safety could be further improved by using the elevators for evacuation and by evacuating the building in stages. Date: 30.5.2011 Language: Finnish Number of pages: 114 Keywords: Egress, evacuation, tall building, evacuation simulation, FDS+Evac

Esipuhe Kiinnostus korkeaa rakentamista kohtaan on Suomessa tällä hetkellä ehkä suurempaa kuin koskaan, ja suunnitteilla olevien rakennusten määrä ja kerrosluvut vaikuttavia. Samaan aikaan korkeista rakennuksista poistuminen on noussut WTC:n vuoden 2001 terrori-iskun ja hiljattain rakennettujen, ennätyskorkeiden pilvenpiirtäjien myötä yhdeksi puhutuimmista ja tutkituimmiksi aiheeksi paloinsinöörien keskuudessa ympäri maailman. Tämä diplomityö on tehty L2 Paloturvallisuus Oy:n toimeksiannosta, tarkoituksena vahvistaa yrityksen osaamista korkeiden rakennusten paloturvallisuussuunnittelussa. Toiveeni on, että työni yhdessä samanaikaisesti Pelastusopiston palopäällystölinjalla teetetyn, korkeiden rakennusten yleistä paloturvallisuussuunnittelua käsittelevän opinnäytetyön kanssa auttaisi yritystä osaltaan varmistamaan, että Suomen tuleviksi ylpeydenaiheiksi rakennettavat korkeat rakennukset ovat edelläkävijöitä myös paloturvallisuutensa osalta. Haluan kiittää L2 Paloturvallisuus Oy:tä ajankohtaisen ja mielenkiintoisen aiheen tarjoamisesta ja erityisesti Juha-Pekka Laaksosta, jonka asiantuntemus ja laaja näkemys eri paloturvallisuuden osa-alueista auttoivat ohjaamaan työtäni oikeaan suuntaan. Kiitokset myös yrityksen muille työntekijöille, joiden kanssa käydyt lukuisat keskustelut ja pohdintatuokiot toivat työhöni runsaasti uusia näkemyksiä. Professori Jari Puttoselle kiitokset tavanomaisesta rakennetekniikasta poikkeavan aiheen hyväksymisestä, osuvista kommenteista sekä sopeutumisesta lopussa hieman haasteelliseen aikatauluun. Kiitokset myös VTT:n Timo Korhoselle FDS+Evacia ja NIST:n Erica Kuligowskille poistumiskokeita koskevasta avusta, sekä siskolleni Sallalle ansiokkaasta kielentarkistuksesta. Lisäksi haluan osoittaa kiitokset vanhemmille ja ystäville, jotka auttoivat asettamaan työn oikeisiin mittasuhteisiinsa sekä koulukavereille, joiden esimerkki ja kannustus auttoivat saattamaan työn valmiiksi asti. Ja ennen kaikkea haluan kiittää Riikkaa, jonka ansiosta en ollut diplomityön tekemiseen liittyvien ilojen ja haasteiden kanssa yksin. Helsingissä, toukokuussa 2011 Tommi Nieminen VII

Sisällysluettelo Esipuhe... VII Symboliluettelo... X Määritelmät... XII 1 Johdanto... 1 1.1 Tutkimuksen tausta... 1 1.2 Tutkimuksen tavoite... 1 1.3 Tutkimuksen rajaus... 2 1.4 Tutkimusmenetelmät... 2 2 Poistumisturvallisuusmääräykset ja mitoitusmenetelmät Suomessa... 4 2.1 Mitoitusmenetelmät... 4 2.1.1 Taulukkomitoitus... 5 2.1.2 Toiminnallinen mitoitus... 5 2.2 Viranomaiskäytännöt... 6 2.3 Korkeiden rakennusten poistumismääräykset... 7 3 Poistuminen tutkimusongelmana... 10 3.1 Poistumistapahtuma... 10 3.2 Poistumisprobleeman määrittely... 10 3.3 Poistumisen tutkiminen simuloimalla... 11 3.4 Poistumismallin muodostaminen... 12 3.5 Simulointiohjelman valinta... 13 3.5.1 FDS+Evacin vertailu muihin simulointiohjelmiin... 14 3.5.2 FDS+Evacin vertailu poistumisdataan... 16 3.5.3 FDS+Evacin valinta simulointiohjelmaksi... 19 4 FDS+Evac-simulointiohjelma... 20 4.1 Ohjelman toimintaperiaate... 20 4.2 Liikemalli... 20 4.3 Vastakkaissuuntaisten virtausten alimalli... 24 4.4 STRS-porrasmalli... 25 4.5 Simulointitulosten hajonta... 26 4.6 FDS+Evac-ohjelman pätevyysalue... 28 5 FDS+Evac-ohjelman porrasmallin validointi... 30 5.1 Koedatan esittely... 30 5.2 Koedatan mallinnus... 31 5.3 Validointisimuloinnit... 33 5.3.1 Validointitapaus 1: Building 8, South Stair... 34 5.3.2 Validointitapaus 2: Building 7, Stair 1... 38 5.3.3 Validointitapaus 3: Building 7, Stair 3... 41 5.3.4 Validointitapaus 4: Building 5, Stair A... 43 5.3.5 Validointitapaus 5: Building 5, Stair B... 46 5.4 Yhteenveto validointitapauksista... 48 5.4.1 STRS-porrasmallin toiminta... 48 5.4.2 Parametrien määritys STRS-porrasmallille... 49 6 Poistuminen korkeista rakennuksista... 51 6.1 Rakennuksen korkeuden vaikutus poistumiseen... 51 6.2 Poistumisjärjestelyiden yleispiirteet... 52 6.3 Poistumisjärjestelyt toimistokäytössä... 53 6.4 Poistumisjärjestelyt asuinkäytössä... 54 VIII

6.5 Erittäin korkeiden rakennusten poistumisjärjestelyt... 55 6.5.1 Vaiheittainen ja osittainen evakuointi... 55 6.5.2 Hissievakuointi... 56 6.5.3 Suojatut kerrokset... 57 6.6 Poistumisgeometrian yksityiskohdat... 57 7 Poistumisgeometrian yksityiskohtien vaikutuksen tutkiminen simuloinnilla... 58 7.1 Portaikon ihmisvirtaan liittyminen... 58 7.1.1 Käytettävä simulointimalli... 59 7.1.2 Simulointien suoritus... 64 7.1.3 Simulointien tulokset... 65 7.2 Portaikossa ohittaminen... 67 7.2.1 Käytettävä simulointimalli... 69 7.2.2 Simulointien suoritus... 70 7.2.3 Simulointiajojen tulokset: käytävägeometria... 71 7.2.4 Simulointiajojen tulokset: porrasgeometria... 72 8 Esimerkkirakennuksen poistumisratkaisujen vertailu simuloinnilla... 80 8.1 Esimerkkirakennus... 80 8.2 Vertailtavat poistumisratkaisut... 81 8.2.1 Poistumisratkaisuja koskevat palomääräykset... 81 8.2.2 Valitut poistumisgeometriat... 82 8.3 Tarkastellut poistumisskenaariot... 84 8.3.1 Skenaarioiden yhteiset lähtöarvot... 84 8.3.2 Skenaarioissa varioitavat lähtöarvot... 86 8.4 Käytettävä simulointimalli... 87 8.5 Simulointien suoritus... 94 8.6 Simulointien tulokset... 95 8.6.1 Mallin toiminta... 95 8.6.2 Geometria VE1... 97 8.6.3 Geometria VE2... 98 8.6.4 Geometria VE3... 100 8.6.5 Geometria VE4... 101 8.6.6 Geometria VE5... 102 8.6.7 Yhteenveto... 104 9 Johtopäätökset... 106 9.1 Simuloinnin käyttö poistumisjärjestelyjen tutkimisessa... 106 9.2 Poistumisgeometrian yksityiskohtien vaikutus... 106 9.2.1 Portaikon ihmisvirtaan liittyminen... 106 9.2.2 Portaikossa ohittaminen... 107 9.3 Esimerkkirakennuksen poistumisratkaisujen vertailu... 107 9.4 Suositukset... 108 9.4.1 FDS+Evac-simulointiohjelman kehittäminen... 108 9.4.2 Uloskäytävien geometria... 109 9.4.3 Muita poistumisjärjestelyihin liittyviä seikkoja... 109 9.5 Jatkotutkimustarpeet... 110 Lähdeluettelo... 111 Liite A: Luvun 8 simulointien tuloskuvaajia... 115 Liite B: Ihmisten käyttäytyminen poistumistilanteessa... 141 IX

Symboliluettelo Latinalaiset aakkoset A B c d d f f att f c f soc I z k M c M soc M z M τ m R d R s R d r v v 0 v n v n x FDS+Evac -ohjelman parametri FDS+Evac -ohjelman parametri vaimennusparametri (FDS+Evac-ohjelmassa) henkilöiden keskipisteiden välinen etäisyys henkilöön ympäristöstä kohdistuva kokonaisvoima henkilöön kohdistuva motiivivoima henkilöön kohdistuva kosketusvoima henkilöön kohdistuva sosiaalinen voima henkilön hitausmomentti kimmoisen radiaalivoiman suuruus tai porrasnopeuden kerroin (FDS+Evac-ohjelman parametreja) henkilöön kohdistuva kosketusvoiman vääntömomentti henkilöön kohdistuva, sosiaalisen voiman vääntömomentti henkilöön ympäristöstä kohdistuva kokonaisvääntömomentti henkilöön kohdistuva, motiivivoiman vääntömomentti henkilön massa henkilön kehon kokoa kuvaava mitta henkilön kehon kokoa kuvaava mitta henkilön kehon kokoa kuvaava mitta kahden vierekkäisen henkilön vartaloiden leveyksien summa henkilön nopeus henkilön tavoitenopeus henkilön tangentiaalinopeus henkilön normaalinopeus henkilön sijainti Kreikkalaiset aakkoset η z κ henkilöön kohdistuva, satunnainen vääntömomentti kitkavoiman suuruus (FDS+Evac-ohjelman parametri) X

λ ξ τ φ φ 0 ω ω 0 sosiaalisen voiman anisotropia (FDS+Evac-ohjelman parametri) henkilöön kohdistuva, satunnainen voima motiivivoiman suuruutta kuvaava, FDS+Evac-ohjelman parametri henkilön kulkusuunta henkilön tavoitekulkusuunta henkilön kulmanopeus henkilön tavoitekulmanopeus Lyhenteet CFD Computational Fluid Dynamics FDS Fire Dynamics Simulator h-m 2 Huoneistoala [m 2 ] MRA Maankäyttö- ja rakennusasetus MRL Maankäyttö- ja rakennuslaki NIST National Institute of Standards and Technology, USA SRMK Suomen rakentamismääräyskokoelma SRMK E1 Suomen rakentamismääräyskokoelman osa E1 SRMK F2 Suomen rakentamismääräyskokoelman osa F2 WTC World Trade Center, New York (NY), USA XI

Määritelmät Hätäuloskäytävä Tässä työssä uloskäytävä, joka on tarkoitettu vain hätätilanteessa käytettäväksi. Korkea rakennus Tässä työssä yli 16 kerroksinen rakennus. Liikerakennus Rakennus, joka on pääosin toimisto- ja liikekäytössä. Osastoitu uloskäytävä Osastoitu tila, jonka kautta rakennuksesta voidaan poistua turvallisesti. (Suomen rakentamismääräyskokoelman osan E1 (SRMK E1) mukainen määritelmä) Palolta ja savulta suojattu uloskäytävä Osastoitu uloskäytävä, johon on yhteys ainoastaan kerrostasolla olevan osastoidun tilan ja tästä edelleen parvekkeen tai muun ulkoilmaan avoimen tilan kautta siten, että palon ja savukaasujen pääsy uloskäytävään estyy. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) Palolta suojattu uloskäytävä Osastoitu uloskäytävä, johon on yhteys ainoastaan kerrostasolla olevan osastoidun tilan kautta. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) Palomieshissi Palo-osasto Palosulku Poistumisalue Palokunnan käyttöön tulipalon aikana tarkoitettu ja varusteltu hissi. Rakennuksen osa, josta palon leviäminen on määrätyn ajan estetty osastoivin rakennusosin tai muulla tehokkaalla tavalla. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) Osastoitu tila kahden palo-osaston välillä. Palosulku on varustettu kahdella ovella, jotka erikseen avautuvat kumpaankin rajoittuvaan palo-osastoon niin, ettei ovia ole tarpeen avata samaan aikaan. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) Poistumisen järjestämisen kannalta yhtenäinen ja tarkoituksenmukainen rakennuksen osa. Poistumisalue on usein samalla myös palo-osasto. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) XII

Poistumisportaikko Tässä työssä pelkästään tai pääosin vain poistumistilanteessa käytettäväksi tarkoitettu portaikko. Uloskäytävä Varatie Poistumisalueelta suoraan ulos johtava ovi taikka rakennuksessa tai sen ulkopuolella oleva tila, jonka kautta turvallinen poistuminen on palon sattuessa mahdollista maan pinnalle tai muulle turvalliselle paikalle. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) Uloskäytävää vaikeakulkuisempi reitti, jota pitkin on mahdollisuus päästä turvaan palolta. (SRMK E1:n mukainen määritelmä) XIII

1 Johdanto 1.1 Tutkimuksen tausta Korkeat (tässä työssä yli 16-kerroksiset) rakennukset ovat olleet Suomessa toistaiseksi harvinaisia ja korkeudet maltillisia, joten kokemusta korkeista rakennuksista poistumisesta ei ole täällä juurikaan kertynyt. Erityisesti rakennuksissa kerrallaan oleskelevien ihmisten määrä on tähänastisissa korkeissa rakennuksissa ollut niin pieni, että palomääräysten vaatimien minimiuloskäytävien kapasiteetti on riittänyt ongelmitta rakennuksen evakuointiin. Poistumisjärjestelyt on tällöin voitu toteuttaa suoraan määräysten mukaisina ja keskittyä varmistamaan, etteivät tulipalo ja sen tuottama savu vaaranna poistumista. Ulkomaisten kokemusten perusteella tiedetään kuitenkin, että rakennuksen korkeuden ja siellä oleskelevan ihmismäärän kasvaessa riittävän suureksi nousee uloskäytävien kapasiteetti poistumisturvallisuuden kannalta merkittäväksi tekijäksi. Suomen taulukkopalomääräyksissä asiaa ei ole juurikaan huomioitu, sillä kerrososastoiduissa rakennuksissa uloskäytävät vaaditaan mitoitettavaksi vain yhden, eniten ihmisiä sisältävän kerroksen evakuointiin. Lisäksi uloskäytäville asetetut vaatimukset ovat samat kaikille yli 16-kerroksisille rakennuksille kerrosluvusta riippumatta, eikä määräyksissä ole muutenkaan otettu juuri kantaa esimerkiksi uloskäytävän geometriaan tai muihin yksityiskohtiin. Edellä mainittujen seikkojen perusteella on kyseenalaistettu, pystytäänkö selvästi nykyistä korkeampien rakennusten poistumisturvallisuus varmistamaan Suomessa pelkästään taulukkomääräyksiä noudattamalla. Korkeissa rakennuksissa pienilläkin poistumisreittien geometriaan liittyvillä seikoilla saattaa olla suuri merkitys rakennuksen evakuoinnin kestoon, sillä kutakin uloskäytävää käyttää huomattavan suuri määrä ihmisiä tavanomaisiin rakennuksiin verrattuna ja uloskäytävien geometria jatkuu usein samana koko rakennuksen mitan. Lisäksi uloskäytävän tilantarpeen pienenkin muutoksen taloudellinen merkitys on erittäin suuri, jokaisen kerroksen hyötyalan muuttuessa vastaavasti. Mikäli poistumisgeometrian yksityiskohtien vaikutusta ei tunneta tai huomioida, voidaan siis pahimmillaan päätyä sekä poistumisturvallisuuden kannalta huonoihin että kalliisiin poistumisratkaisuihin. 1.2 Tutkimuksen tavoite Tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää poistumissimuloinnin avulla tärkeimmät korkeista rakennuksista poistumiseen vaikuttavat tekijät ja arvioida kuinka suuri merkitys kullakin niistä on poistumisturvallisuuteen. Tarkoituksena oli tutkia erityisesti poistumisgeometrian yksityiskohtien, kuten portaikkojen tasanteiden geometrian vaikutusta poistumisen sujuvuuteen. Toisena tavoitteena oli arvioida, millainen poistumisturvallisuustaso korkeissa rakennuksissa saavutetaan Suomen nykyisiä taulukkopalomääräyksiä noudattamalla, millä muilla ratkaisuilla samaan turvallisuustasoon voitaisiin päästä ja miten turvallisuustasoa voitaisiin parantaa. Samalla tavoitteena oli myös arvioida poistumissimuloinnin soveltuvuutta erilaisten poistumisratkaisujen vertailemiseen sekä poistumisturvallisuussuunnitteluun. 1

Poistumisturvallisuutta on perinteisesti arvioitu lähinnä rakennuksen teknisten ominaisuuksien pohjalta. Tässä työssä arviointi tehdään laajemmin, huomioiden myös tärkeimmät ihmisten käyttäytymiseen liittyvät seikat. Tavoitteena on siis muodostaa perinteisesti tarkastellun teoreettisen maksimikapasiteetin lisäksi käsitys poistumisratkaisujen todellisesta toimivuudesta poistumistilanteessa. 1.3 Tutkimuksen rajaus Työssä tarkastellaan rakennuksia, joiden pääasiallinen käyttötapa on työpaikkatila. Koska Suomeen tulevaisuudessa rakennettavissa korkeissa rakennuksissa tullee todennäköisesti olemaan myös asuinhuoneistoja sekä kokoontumis- ja liiketiloja, on työhön sisällytetty myös näihin liittyviä asioita. Puhtaasti asuinrakennuksia ei työssä käsitellä. Tutkimuksessa tehdyt eri poistumisratkaisujen tarkastelut tehtiin noin 40-kerroksiselle rakennukselle, jonka kunkin kerroksen kerrosala on noin 1000 m 2. Ratkaisujen toimivuutta selvästi tätä korkeammissa tai suuremmissa rakennuksissa ei työssä arvioida. Sen sijaan monet poistumiseen vaikuttavista yksityiskohdista tehdyt havainnot eivät riipu rakennuksen korkeudesta, ja pätevät näin ollen muissakin rakennuksissa. Poistumisen tarkastelu on tässä työssä rajattu uloskäytäviin. Yksittäisistä tiloista tai huoneista poistumista tai uloskäytävän luokse kerroksessa siirtymistä ei käsitellä kuin yleisellä tasolla poistumisreitin valinnan yhteydessä. Rajaus on perusteltu, sillä korkeissa rakennuksissa poistumisnopeuteen vaikuttavat lähinnä uloskäytävien ominaisuudet, ja kokonaispoistumisajasta uloskäynnin luokse siirtyminen muodostaa vain hyvin pienen osan. Erilaisia mahdollisia kerrosten pohjaratkaisuja on myös lähes rajaton määrä, eikä niiden tutkiminen riittävällä tarkkuudella ole tämän työn puitteissa mahdollista. Poistumisturvallisuus liittyy kiinteästi rakennuksen muuhun paloturvallisuussuunnitteluun, sillä tulipalo on todennäköisin rakennuksessa olevien ihmisten henkeä uhkaava tekijä. Tulipaloon liittyviä seikkoja ei tässä työssä kuitenkaan suoranaisesti käsitellä, lukuun ottamatta kunkin poistumisratkaisun käsittelyn yhteydessä tehtyä arviota ratkaisun toimivuudesta tulipalotilanteessa. Tässä tapauksessa rajaus voidaan tehdä, sillä korkeiden rakennusten suunnittelussa ehdoton vaatimus on, ettei tulipalo saa vaarantaa poistumista uloskäytävien kautta, oli poistumisratkaisu sitten mikä tahansa. 1.4 Tutkimusmenetelmät Tutkimuksen aluksi selvitettiin, miten korkeiden rakennusten palo- ja erityisesti poistumisturvallisuussuunnittelu Suomessa tehdään ja millaisia turvallisuusvaatimuksia korkeiden rakennusten tulee Suomessa nykymääräysten mukaan täyttää. Selvitys tehtiin tutustumalla rakentamista ohjaavaan lainsäädäntöön, ohjeisiin sekä viranomaiskäytäntöihin. Apuna käytettiin myös paloturvallisuussuunnittelun asiantuntijan haastattelua. Lisäksi selvitettiin, millaisia poistumisratkaisuja Suomessa ja muualla maailmassa on korkeissa rakennuksissa käytössä sekä arvioitiin niiden soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin. 2

Poistumisturvallisuuden arvioinnin pohjaksi kerättiin poistumisen sosiaalipsykologiaa käsittelevästä kirjallisuudesta perustiedot ihmisten käyttäytymisestä poistumistilanteessa. Aineiston pohjalta tehtiin tiivistelmä ihmisten käyttäytymisestä poistumistilanteissa, joka on esitetty tämän työn liitteenä B. Koska sosiaalipsykologia oli työn tekijälle tutkimusalana varsin vieras, käytettiin tutkimuksen tämän osan lähteenä valtaosin Katri Matikaisen Helsingin yliopistossa vuonna 2007 tekemää opinnäytetyötä Käyttäytyminen uhkatilanteessa Poistumisreitin valintaan vaikuttavat sosiaalipsykologiset tekijät tulipalossa [1], jossa kirjallisuuskatsauksen perusteella oli koottu tärkeimmät ihmisten poistumiskäyttäytymiseen liittyvät seikat myös aiheeseen perehtymättömälle henkilölle käyttökelpoiseen muotoon. Varsinaista tutkimusosuutta varten selvitettiin, miten poistumista tulisi tämän tutkimuksen tavoitteiden saavuttamiseksi mallintaa ja valittiin tarkoitukseen sopiva simulointiohjelma. Tutkimuksen tulosten luotettavuuden varmistamiseksi ohjelmaa testattiin todellisia poistumistilanteita simuloimalla, ja samalla ohjelman parametrit säädettiin sopivaksi tutkimuksen tekoa varten. Tutkimuksen kokeellisessa osuudessa tutkittiin simulointiohjelman avulla erilaisten poistumisgeometrioiden toimintaa. Ensin tarkasteltiin tiettyjen geometriayksityiskohtien vaikutusta ihmisten liikkeeseen sopivien testigeometrioiden avulla, minkä jälkeen tutkittiin erilaisten poistumisratkaisuiden toimivuutta sopivasta esimerkkirakennuksesta tehdyissä täyden mittakaavan poistumissimuloinneissa. 3

2 Poistumisturvallisuusmääräykset ja mitoitusmenetelmät Suomessa Suomessa rakentamista säädellään Maankäyttö- ja rakennuslaissa (MRL) [2]. Lain 117 :n perusteella rakennuksen tulee täyttää sen käyttötarkoituksen edellyttämällä tavalla olennaiset tekniset vaatimukset, joihin sisältyvät muun muassa paloturvallisuuden perusvaatimukset. Maankäyttö- ja rakennuslain nojalla annetun Maankäyttö- ja rakennusasetuksen (MRA) [3] 50 tarkentaa paloturvallisuutta koskevaa teknistä vaatimusta seuraavasti: Rakennuksen kantavien rakenteiden tulee palon sattuessa kestää niille asetetun vähimmäisajan. Palon ja savun kehittymisen ja leviämisen rakennuksessa tulee olla rajoitettua. Myös palon leviämistä lähistöllä oleviin rakennuksiin tulee rajoittaa. Rakennuksessa olevien henkilöiden on voitava palon sattuessa päästä poistumaan rakennuksesta tai heidät on voitava pelastaa muulla tavoin. Myös pelastushenkilöstön turvallisuus on rakentamisessa otettava huomioon. Tarkempien säännösten osalta pykälässä viitataan Suomen rakentamismääräyskokoelmaan. [3] Suomen rakentamismääräyskokoelman (SRMK) sarja E (Rakenteellinen paloturvallisuus) ja erityisesti osa E1 (Rakennusten paloturvallisuus, määräykset ja ohjeet) [4] sisältää yleiset palo- ja poistumisturvallisuutta koskevat velvoittavat määräykset ja myös ohjeita hyväksyttävistä ratkaisuista. Lisää ohjeita ratkaisuista, joiden katsotaan täyttävän SRMK E1:n määräykset, on esitetty esimerkiksi Ympäristöministeriön julkaisemassa Ympäristöopas 39 Rakennusten paloturvallisuus ja paloturvallisuus korjausrakentamisessa julkaisussa [5]. Suomalaisessa rakentamisen säätelyssä poistumisturvallisuus on siis sisällytetty osaksi paloturvallisuusmääräyksiä, ja MRA:n olennaisessa vaatimuksessa lähtökohtana on ihmisten mahdollisuus poistua rakennuksesta palon sattuessa. Tarkempia määräyksiä antavassa SRMK E1:ssä on poistumismääräysten alussa kuitenkin mainittu, että rakennuksesta tulee voida poistua turvallisesti myös muussa hätätilanteessa. Perinteisesti poistumisturvallisuutta on käsitelty nimenomaan tulipalon kautta, mutta viime aikoina myös muihin poistumiseen johtaviin uhka- tai vaaratilanteisiin on alettu kiinnittää huomiota entistä enemmän ja poistumisratkaisuja suunnitella myös niitä silmällä pitäen. Lainsäädännön näkökulmasta poistumisturvallisuus on kuitenkin yksi paloturvallisuussuunnittelun osa-alue, jonka suunnittelu tehdään samoja mitoitusmenetelmiä käyttäen kuin rakennuksen muu paloturvallisuussuunnittelu. 2.1 Mitoitusmenetelmät SRMK E1 tarjoaa kaksi vaihtoehtoa osoittaa Maankäyttö- ja rakennusasetuksen palo- (ja poistumis-) turvallisuutta koskevan olennaisen vaatimuksen toteutuvan: 1) Rakennus suunnitellaan noudattaen SRMK E1:n määräyksien ja ohjeiden paloluokkia sekä lukuarvoja 2) Rakennus suunnitellaan ja rakennetaan perustuen oletettuun palonkehitykseen, joka kattaa kyseisessä rakennuksessa todennäköisesti esiintyvät tilanteet. [4] Ensimmäistä mitoitustapaa kutsutaan taulukkomitoitukseksi ja jälkimmäistä toiminnalliseksi mitoitukseksi (tai oletettuun palonkehitykseen perustuvaksi mitoitukseksi). Käytännössä taulukkomitoituksessa poimitaan SRMK E1:stä kuhunkin 4

tilanteeseen sopiva ratkaisu ja pysytään määräysten sovellusalueen mukaisissa tiloissa ja rakenteissa. Toiminnallisessa mitoituksessa taas voidaan periaatteessa käyttää millaisia ratkaisuja hyvänsä, kunhan niiden voidaan osoittaa täyttävän MRA:n paloturvallisuutta koskevan olennaisen vaatimuksen. [6] 2.1.1 Taulukkomitoitus Suomessa paloturvallisuussuunnittelu on perinteisesti perustunut SRMK E1:n taulukkomääräysten noudattamiseen. Taulukkomääräysten soveltaminen on varsin yksinkertaista ja nopeaa, minkä johdosta tavanomaisten kohteiden paloteknisen suunnittelun on usein tehnyt kohteen arkkitehti tai rakennesuunnittelija. Taulukkomääräysten mukaisilla ratkaisuilla saavutettava turvallisuustaso on myös vähitellen yleisesti hyväksytty riittäväksi, ja sitä käytetäänkin usein myös toiminnallisen mitoituksen lähtökohtana. [6] SRMK E1:n [4] taulukkomääräyksissä on esitetty kultakin rakennukselta vaadittavat palotekniset ominaisuudet, kuten esimerkiksi palo-osastojen maksimipinta-alat, kantavien rakenteiden palonkesto, osastoivien rakennusosien ominaisuudet, rakennusmateriaalien ominaisuudet sekä erilaiset paloturvallisuuslaitteet ja - järjestelmät. Poistumisturvallisuutta koskevat määräykset ovat SRMK E1:ssä omana lukunaan ja ne on esitelty tarkemmin kohdassa 2.3. Monet määräyksistä ovat luonteeltaan periaatteellisia eivätkä sisällä tarkkoja hyväksymiskriteerejä, minkä vuoksi SRMK E1:ssä ja Ympäristöopas 39:ssä [5] on esitetty lisäksi ohjeita ratkaisuista, joiden katsotaan täyttävän määräykset. Ohjeet eivät luonnollisestikaan ole velvoittavia ja muitakin ratkaisuja voidaan käyttää, kunhan niillä saavutetaan vastaava turvallisuustaso. Tämä seikka jättää paljon tilaa erilaisille määräysten tulkinnalle, ja käytännössä lopulliset vaatimukset eroavatkin toisistaan esimerkiksi eri paikkakunnilla. Viranomaisten roolia määräysten tulkinnassa on selvitetty tarkemmin kappaleessa 2.2. 2.1.2 Toiminnallinen mitoitus Toiminnallista eli oletettuun palonkehitykseen perustuvaa mitoitusta käytettäessä MRA:n olennaisen paloturvallisuusvaatimuksen täyttyminen todennetaan tapauskohtaisesti ottaen huomioon rakennuksen ominaisuudet ja käyttö [4]. Tällöin käytetään SRMK E1:n ohjeen mukaan menetelmiä, joiden kelpoisuus on osoitettu, kuten eurooppalaisten (EN) tai kansainvälisten (ISO) standardien mukaiset menetelmät. Lisäksi SRMK E1 edellyttää, että suunnittelun perusteet, käytetyt mallit ja saadut tulokset on esitettävä rakennuslupamenettelyn yhteydessä. Varsinaisesta toiminnallisen mitoituksen suorittamistavasta ei SRMK E1:ssä ole määrätty, lukuun ottamatta ohjetta seikoista, jotka suunnitteluasiakirjoista on käytävä ilmi. Suunnittelun helpottamiseksi Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry on julkaissut vuonna 2003 ohjeen Oletettuun palonkehitykseen perustuva suunnittelu ja ratkaisuesimerkit (RIL 221 2003) [7]. Tämä on edelleen käytännössä ainoa julkaisu, jossa toiminnallisen mitoituksen suunnitteluprosessi on kuvattu. Julkaisu ei ohjeena ole sitova, mutta sen menetelmät ja ohjeet ovat viranomaisten laajasti hyväksymiä [6]. RIL 221 [7] esittää kaksi tapaa toiminnallisen mitoituksen käyttämiseksi. Ensimmäisessä, yleisemmässä menetelmässä toiminnallista mitoitusta käytetään osoittamaan, että SRMK E1:ssä esitetyt yleiset vaatimukset täytetään, vaikka valitut 5

ratkaisut eivät olekaan SRMK E1:n tarkempien määräyksien tai ohjeiden mukaisia. Tämän menetelmän todetaan soveltuvan lähinnä yksittäisten ja selkeästi rajattujen poikkeamien tarkasteluun. Laskennallisesti voidaan esimerkiksi osoittaa, että ihmiset ehtivät poistua rakennuksesta ajoissa, vaikka kulkureitin pituus ylittäisikin sallitun. [7] Suomessa toiminnallista mitoitusta käytetään lukumääräisesti eniten perustelemaan juuri tämänkaltaisia, rajattuja poikkeamia SRMK E1:n määräyksistä [6]. Toinen RIL 221:ssä [7] esitetty tapa on todennäköisyyspohjainen riskitarkastelu, jota on Suomessa ja myös maailmalla käytetty vielä varsin vähän. Tällä osoitetaan joko, että rakennuksen elinkaaren aikana toteutuvat henkilö- ja omaisuusvahingot ovat enintään yhtä suuret kuin E1:n taulukkomääräysten mukaan suunnitellulla vastaavalla rakennuksella (suhteellinen hyväksymiskriteeri) tai että ne alittavat hankekohtaisesti määritetyn todennäköisyysrajan (absoluuttinen hyväksymiskriteeri). Todennäköisyyspohjainen riskitarkastelu soveltuu myös vaativien kohteiden ja monimutkaisten sekä vaikeasti rajattavien ongelmien tarkasteluun, mutta vaatii toimiakseen riittävästi luotettavaa vahinkotilastoaineistoa. [7] Käytännössä toiminnallinen mitoitus voi tarkasteltavasta ongelmasta riippuen sisältää hyvin monenlaisia menetelmiä, joilla pyritään määrittämään rakennuksen todennäköisten uhkakuvien seuraukset. Usein toiminnallisen mitoituksen ymmärretään tarkoitettavan tulipalon ja sen vaikutusten simulointia tietokoneohjelmilla, mutta yksinkertaisimmillaan tarkastelu voidaan tehdä tarkkaan rajatulle kohdalle käsin laskemalla tai jopa puhtaasti päättelemällä. Samaa pätee myös poistumisturvallisuussuunnitteluun, jonka tavoitteena on yleensä määrittää rakennuksen (tai tilan) evakuointiin kuluva aika joko poistumissimuloinnilla tai yksinkertaisemmilla laskumenetelmillä. 2.2 Viranomaiskäytännöt SRMK E1:n taulukkomääräykset eivät kaikilta osin ole yksiselitteisiä ja useisiin vaatimuksiin on sallittu tarkemmin määrittelemättömiä lievennyksiä, esimerkiksi mikäli rakennus tai sen osa varustetaan automaattisella sammutuslaitteistolla. Toiminnalliselle mitoitukselle taas ei ole esitetty sitovia vaatimuksia käytännössä lainkaan. Tämän vuoksi viranomaisilla on varsin vahva rooli rakentamisen ohjauksessa erityisesti palomääräysten osalta. Kun uudelle rakennukselle tai vanhan muutostyölle haetaan rakennuslupaa kunnan rakennusvalvontaviranomaiselta (yleensä rakennusvalvontavirasto tai vastaava), arvioi rakennusvalvontaviranomainen hakemusta myös paloturvallisuusmääräysten täyttymisen kannalta. Halutessaan rakennusvalvontaviranomainen voi pyytää hakemuksesta lausuntoa pelastusviranomaiselta tai kolmannelta osapuolelta, joka usein käytännössä on VTT, joskus myös ulkopuolinen konsultti. Lopullisen päätöksen rakennuslupahakemuksen hyväksymisestä tai hylkäämisestä tekee kuitenkin rakennusvalvontaviranomainen, joka ottaa saamansa lausunnot huomioon haluamallaan tavalla. Käytännössä kuitenkin pelastusviranomaisen puoltava kanta on yleensä edellytys rakennusluvan myöntämiselle. Sekä palo- että rakennusvalvontaviranomaisten tulkinnat voimassa olevista rakentamismääräyksistä vaihtelevat kunnittain, joten käytettävien ratkaisujen hyväksyttävyys on tarkistettava jokaisen rakennushankkeen kohdalla erikseen. [6] 6

Mikäli rakennuksen paloturvallisuussuunnittelu tehdään SRMK E1:n taulukkomääräysten pohjalta ja määräyksistä halutaan poiketa, voidaan esimerkiksi pienet lukuarvojen ylitykset hyväksyttää MRL 175 perusteella rakennuslupamenettelyn yhteydessä vähäisenä teknisenä poikkeuksena. Suurempien poikkeuksien myöntämiseen on valta MRL 171 :n perusteella kunnalla, yleensä käytännössä rakennuslautakunnalla. Molemmissa tapauksissa tulee osoittaa, että poikkeus täyttää MRL 171 ja 172 :n edellytykset. [2] Erityisesti MRL 175 mahdollistamia vähäisiä teknisiä poikkeuksia tehdään käytännössä hyvinkin paljon, esimerkiksi suurimpien sallittujen poistumismatkojen ylittyessä [6]. Toiminnallisen mitoituksen tapauksessa vastaavaa poikkeamistarvetta ei synny, koska ratkaisujen ei muutenkaan tarvitse olla SRMK E1:n taulukkomääräysten mukaisia vaan riittää, että MRA:n olennaisten vaatimusten osoitetaan täyttyvän. Vaatimusten täyttymisen arvioi käytännössä yleensä pelastusviranomainen, joka tämän perusteella joko puoltaa tai on puoltamatta kohteen rakennuslupaa lausunnossaan. Toiminnallisen mitoituksen tapauksessa suunnittelu on käytännössä hyvä tehdä yhteistyössä palo- ja rakennuslupaviranomaisten kanssa hankkeen alusta asti, koska mikäli viranomaiset eivät hyväksy toiminnallisessa mitoituksessa käytettyjä uhkakuvia tai muita lähtötietoja, joudutaan suunnittelu tekemään uudestaan alusta alkaen. [6] 2.3 Korkeiden rakennusten poistumismääräykset Suomen Maankäyttö- ja rakennusasetuksen 50 :n olennaisissa vaatimuksissa määrätään poistumisturvallisuudesta kaikkia rakennuksia koskien seuraavaa: Rakennuksessa olevien henkilöiden on voitava palon sattuessa päästä poistumaan rakennuksesta tai heidät on voitava pelastaa muulla tavoin [3]. Tarkemmat poistumista koskevat määräykset on esitetty SRMK E1:n kappaleessa 10, jonka kohdassa 10.1 MRA:n vaatimusta tarkennetaan seuraavasti: Rakennuksesta tulee voida turvallisesti poistua tulipalossa tai muussa hätätilanteessa. Rakennuksessa tulee olla riittävästi sopivasti sijoitettuja, tarpeeksi väljiä ja helppokulkuisia uloskäytäviä niin, että poistumisaika rakennuksesta ei ole vaaraa aiheuttavan pitkä.. Uloskäytäväksi taas on SRMK E1:ssä määritelty poistumisalueelta suoraan ulos johtava ovi taikka rakennuksessa tai sen ulkopuolella oleva tila, jonka kautta turvallinen poistuminen on palon sattuessa mahdollista maan pinnalle tai muulle turvalliselle paikalle. Uloskäytävänä ei SRMK E1:n ohjeen mukaan pidetä hissiä tai muuta vastaavaa laitetta ja jokaiselta poistumisalueelta on oltava mahdollisuus kuljettaa henkilö paareilla ulos. [4] Edellä kuvatut yleiset vaatimukset koskevat kaikkia käytettäviä mitoitustapoja, eli myös toiminnallista mitoitusta esimerkiksi poistumissimuloinnin avulla. Seuraavissa kappaleissa on esitetty myös tärkeimmät korkeita (yli 16-kerroksisia) rakennuksia koskevat taulukkopoistumismääräykset, sillä nämä ovat yleensä myös toiminnallisen mitoituksen lähtökohtana. Uloskäytäville on rakennuksen ominaisuuksista riippuen asetettu erilaisia vaatimuksia, joista korkeita rakennuksia koskee erityisesti määräys tehdä uloskäytävistä palolta suojattuja, eli uloskäytävään saa olla yhteys kerroksista ainoastaan kerrostasolla olevan osastoidun tilan kautta (niin sanottu palosulkutila). Lisäksi yhden uloskäytävän tulee olla palolta ja savulta suojattu, eli uloskäytävään saa olla yhteys kerroksista ainoastaan kerrostasolla olevan osastoidun tilan ja edelleen ulkoilmaan avoimen tilan kautta. Itse 7

uloskäytävä täytyy molemmissa uloskäytävätyypeissä osastoida muusta rakennuksesta erilleen omaksi palo-osastokseen, ja lisäksi uloskäytävän pintamateriaaleille on esitetty vaatimuksia. [4] Suurin sallittu etäisyys lähimpään uloskäytävään vaihtelee rakennuksen käyttötarkoituksen ja uloskäytävien lukumäärän mukaan, mutta korkeiden rakennusten tyypillisimmissä käyttötarkoituksissa eli työpaikka- ja asuinkäytössä suurin sallittu pituus on yleensä 45 metriä. Itse uloskäytävän pituudelle ei sen sijaan ole asetettu rajoituksia. Kultakin poistumisalueelta tulee yleensä olla vähintään kaksi erillistä uloskäytävää. Lukumäärävaatimus ei sinänsä kasva poistumisalueen koon tai henkilömäärän noustessa, mutta käytännössä seuraavassa kappaleessa käsitelty vaatimus uloskäytävien yhteenlasketulle vähimmäisleveydelle sekä aiemmin mainittu kulkureitin pituuden rajoittaminen johtavat suurissa tiloissa myös uloskäytävien lukumäärän lisääntymiseen. Korkeissa rakennuksissa kaksi uloskäytävää yleensä riittää, sillä rakennuksen yhden kerroksen pinta-ala ja suurin henkilömäärä ovat tyypillisesti melko pieniä. [4] Uloskäytävän vähimmäismitoiksi on määrätty 1200 mm x 2100 mm (leveys x korkeus), mutta alle 60 henkilön poistumisalueilla kahdesta uloskäynnistä toisen voi kaventaa 900 mm:iin. Uloskäytävien yhteenlaskettu vähimmäisleveys lasketaan poistumisalueella olevien henkilöiden lukumäärän perusteella siten, että henkilömäärän ylittäessä 120 lisätään 1200 mm:iin 400 mm kutakin seuraavaa 60 henkilöä kohden. Jos samaan uloskäytävään liittyy useita poistumisalueita, leveys mitoitetaan henkilömäärältään suurimman poistumisalueen mukaan. Käytännössä tämä tarkoittaa, että esimerkiksi korkeissa rakennuksissa, joissa jokainen kerros muodostaa oman poistumisalueensa, ei porraskäytäviä tarvitse mitoittaa kuin yhden eli suurimman henkilömäärän sisältävän kerroksen ihmismäärälle. Poikkeuksena tähän ovat ohjeen mukaan avoyhteydellä toisiinsa liittyvät kerrokset, joiden uloskäytäväleveyden laskentaan on Ympäristöopas 39:ssä esitetty kaikkien uloskäytävää käyttävien henkilöiden määrän huomioiva laskentakaava. [4, 5] Uloskäytäviä koskevien määräysten lisäksi SRMK E1:ssä on lisäksi joitain yleisiä, poistumisturvallisuuteen vaikuttavia määräyksiä. Poistumiseen tarvittavan oven tulee yleensä (ja aina jos henkilömäärä yli 60) avautua poistumissuuntaan ja olla hätätilanteessa helposti avattavissa. Uloskäytävät ja niille johtavat kulkureitit tulee korkeissa rakennuksissa yleensä varustaa turva- ja merkkivalaistuksella, paitsi kun rakennus on asuinkäytössä. Käytännössä myös korkeissa asuinrakennuksissa turva- ja merkkivalaistus on yleensä vaadittu perustuen E1:n kohdan 10.6.4:n ohjeeseen tiloista joista poistuminen muutoin saattaa olla ilmeisen vaikeata, sillä korkeiden asuinrakennusten poistumisportaikot eivät yleensä ole asukkaille tuttuja, toisin kuin matalampien. [4] Savunpoiston toteutuksesta yli 8-kerroksisiin rakennuksiin mainitaan E1:n ohjeessa erikseen, että savu- ja palamiskaasut eivät saa vaarantaa poistumista uloskäytäviin liittyvistä tiloista. Lisäksi ohjeistetaan, että savunpoistojärjestelyistä tulee neuvotella paikallisen pelastusviranomaisten kanssa. [4] Kyseisen kohdan perusteella on esimerkiksi vaadittu, että korkeiden rakennusten palolta suojattu uloskäytävä ylipaineistetaan palon sattuessa, jotta savua leviäsi uloskäytävään vähemmän. [8] 8

E1:n kohdassa 11.1.2 määrätään: Mikäli rakennuksen sijainti, suuri koko tai poikkeukselliset olosuhteet erityisesti vaarantavat henkilö- tai paloturvallisuutta, rakennusluvan myöntämisen yhteydessä voidaan vaatia, että rakennus varustetaan paloturvallisuutta parantavilla laitteilla tai järjestelyillä. [4]. Tämän perusteella paikalliset pelastusviranomaiset ovat lausunnoissaan vaatineet korkeita rakennuksia varustettavaksi muun muassa automaattisella sammutuslaitteistolla sekä automaattisella paloilmoittimella, joka ohjaa hissien takaisinkutsuja sekä porraskäytävien ylipaineistusta. Lisäksi on vaadittu mm. kiinnityspisteitä köysipelastamista sekä tukeutumistasoja helikopteria varten. [8] Kuten edeltä huomataan, kaikkia tämän työn määritelmän mukaan korkeita rakennuksia koskevat samat poistumismääräykset, eli vaatimukset eivät enää kasva, kun rakennus on korkeampi kuin 17. kerrosta. E1:n kohdan 11.1.2 perusteella erityisen korkeilta rakennuksilta voidaan toki vaatia erilaisia lisäturvallisuusjärjestelyjä, mutta paloturvallisuuden varmistaminen saattaa tällöin jäädä käytännössä esimerkiksi yksittäisen, lausuntoa rakennuslupaa varten antavan palotarkastajan vastuulle. Toiminnallisessa mitoituksessa rakennuksen todellinen korkeus tulee paremmin huomioitua, mutta tällöinkin hyväksymiskriteerit riippuvat paikallisesta pelastusviranomaisesta. Lopputuloksena valmiiden rakennusten paloturvallisuustaso saattaa vaihdella huomattavasti rakentamispaikasta ja -ajankohdasta riippuen. 9

3 Poistuminen tutkimusongelmana 3.1 Poistumistapahtuma Weckman on määritellyt poistumisen alkavan sillä hetkellä, kun palo syttyy ja päättyvän sillä hetkellä, kun tilassa olevat henkilöt ovat päässeet turvaan. Poistuminen voidaan lisäksi jakaa vaiheisiin, joista yleisimmin käytetyt ovat: esivaihe, jolla tarkoitetaan aikaa palon syttymisestä siihen, kun ihmiset tulevat tietoisiksi rakennuksessa olevasta palosta, reagointivaihe, joka seuraa esivaihetta ja päättyy, kun ihmiset aloittavat fyysisen siirtymisen turvaa kohti ja siirtymisvaihe, joka puolestaan seuraa reagointivaihetta ja päättyy, kun ihmiset saapuvat turvaan. [9] Eri vaiheita ei kuitenkaan ole Korhosen mukaan määritelty hyvin, sillä esimerkiksi esija reagointivaiheisiin voi liittyä siirtymistä, kuten tilanteen tutkimista tai alkusammutusta. Lisäksi ihmisjoukossa eri vaiheiden pituudet vaihtelevat suuresti ja niiden kuvaamiseen onkin käytettävä sopivia tilastollisia jakaumia. [10] Kunkin rakennuksessa olevan ihmisen kokonaispoistumisaika muodostuu edellä mainittujen kolmen vaiheen yhteenlasketusta kestosta. Vaikka tässä työssä keskitytään erityisesti siirtymisvaiheen tarkasteluun, on tärkeä tuntea myös esi- ja reagointivaiheissa esiintyviä ilmiöitä, sillä niillä voi olla suuri vaikutus ihmisen toimintaan siirtymisvaiheessa. Erityisesti päätös poistumisen aloittamisesta ja käytettävästä poistumisreitistä tehdään osin esi- ja reagointivaiheen havaintojen perusteella, joten poistumisjärjestelyiden toteutus vaikuttaa ihmisten päätöksiin jo ennen varsinaista siirtymisen aloittamista. [11] 3.2 Poistumisprobleeman määrittely Poistumisprobleeman voidaan ajatella koostuvan kolmesta tekijästä: tilan geometriasta, ympäröivistä olosuhteista sekä ihmisten toiminnasta. Näiden, osittain toisistaan riippuvien tekijöiden yhteisvaikutus lopulta määrittää poistumisen kulun ja onnistumisen. Poistumisprobleemaa tutkittaessa ja ratkaistaessa kaikkien kolmen tekijän huomioiminen onkin välttämätöntä, mikä asettaa tutkijalle varsin suuria haasteita tekijöiden ollessa luonteeltaan hyvin erilaisia. Erityisen vaikeaa on ihmisten käyttäytymisen huomioiminen, koska yksilötasolla käyttäytyminen on lähes satunnaista tai ainakin hyvin vaikeasti ennustettavissa. Käyttäytymiseen liittyviä seikkoja on käsitelty tarkemmin liitteessä B. Perinteinen tapa tutkia ja ennustaa poistumisen kulkua on tehdä poistumiskokeita, jotka toteutetaan joko täydessä mittakaavassa esimerkiksi rakennusten poistumisharjoitusten yhteydessä tai pienempinä osina tarkemmin kontrolloiduissa koetilanteissa. Täyden mittakaavan kokeissa ongelmana on olosuhteiden hallinta ja toistettavuus: esimerkiksi eri levyisten portaikkojen testaaminen samoissa olosuhteissa ei käytännössä ole mahdollista, ja koe voidaan suorittaa yleensä vain kerran. Pienemmissä kokeissa edellä mainitut ongelmat voidaan ratkaista helpommin, mutta monet suuren ihmisjoukon todellisessa poistumistilanteessa tapahtuvat ilmiöt sen sijaan jäävät havaitsematta ja tuloksia on siksi vaikea yleistää. 10

Edellä kerrotuista seikoista johtuen ainoita keinoja lähestyä poistumisprobleemaa on keskiarvostava lähestymistapa, tässä tapauksessa simulointi, joka tuottaa ennusteen poistumisen kululle. Ideana on, että vaikein hallittava seikka eli ihmisten yksilöllinen käyttäytyminen korvataan keskiarvokäyttäytymisellä, jolloin poistumistilanne saadaan vakioitua tilan geometrian ja olosuhteiden pysyessä samoina. Yksittäisen tekijän vaikutusta poistumiseen on näin ollen helpompi tutkia, kun muu tilanne voidaan pitää vakiona samalla, kun pelkästään tutkittavaa tekijää varioidaan. 3.3 Poistumisen tutkiminen simuloimalla Simulointi on monestakin syystä käyttökelpoinen työkalu poistumisen tutkimiseen, mutta vaatii onnistuakseen tarkoitukseen soveltuvan simulointimallin ja -ohjelman sekä oikeat lähtötiedot. Simuloinnin vahvuuksia ovat olosuhteiden täydellinen hallinta sekä mahdollisuus toistaa koe useita kertoja. Lisäksi tulosten keruu simuloinnista on huomattavasti helpompaa kuin koetilanteesta. Toisaalta simulointia käytettäessä työmäärää lisää se, että simuloinnin ja todellisuuden vastaavuus on jollain tavalla erikseen arvioitava. Kuten jo edellä mainittiin, suurin ero simuloinnin ja esimerkiksi poistumiskokeiden välillä on ihmisen käyttäytymisen keskiarvostus, jossa ei pyritä yksilöiden ominaisuuksien tarkkaan kuvaamiseen vaan siihen, että mallinnettavan ihmisjoukon ominaisuudet ovat keskimäärin samat kuin todellisessakin tilanteessa olevalla ihmisjoukolla. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kaikki ihmiset mallinnettaisiin samoina keskivertoihmisinä, vaan ominaisuudet poimitaan yleensä sopivista jakaumista. Onnistuneessa lopputuloksessa mallinnettu ihmisjoukko käyttäytyy suuressa mittakaavassa samoin kuin oikeassakin tilanteessa, mikä mahdollistaa monien, useisiin ihmisiin vaikuttavien ilmiöiden tutkimisen. Sen sijaan pienien, vain yksittäisiä ihmisiä koskevien ilmiöiden tutkimiseen simulointi ei edellä kuvatun keskiarvostuksen vuoksi sovellu. Ihmisten käyttäytymisen keskiarvostaminen aiheuttaa yleensä myös käyttäytymisen ääripäiden, kuten erityisen hitaasti tai nopeasti liikkuvien ihmisten, leikkautumisen pois. Poistumista simuloitaessa nämä ääripäät tulisi kuitenkin joka tapauksessa poistaa mallista, sillä yksittäinen ääri-ilmiö saattaisi dominoida simuloinnin lopputulosta merkittävästi ja peittää näin alleen muiden muuttujien vaikutuksen. Todellisessa tilanteessa käyttäytymisen ääripäät ovat luonnollisesti mukana, mutta mikäli nämä satunnaisesti esiintyvät ilmiöt otettaisiin mukaan simulointiin, muuttuisi myös simuloinnin tulos näiltä osin täysin satunnaiseksi. Ääri-ilmiöiden vaikutusta voidaan toki simuloinnilla erikseen tutkia herkkyystarkastelumielessä, mutta muuten niitä ei voida edellä mainittujen syden vuoksi sisällyttää simulointiin. Tämän vuoksi simuloimalla ei voida tarkkaan ennustaa esimerkiksi poistumiseen kuluvaa aikaa, mutta esimerkiksi erilaisten poistumisjärjestelyjen vertailu on mahdollista. Simulointia käytetään paljon myös luvussa 2.1.2 kuvatun toiminnallisen palomitoituksen työkaluna. Poistumisturvallisuuden osalta tämä tarkoittaa nimenomaan poistumissimulointeja, joiden tuloksia usein verrataan myös palosimulointeihin tutkimalla altistuvatko poistuvat henkilöt tulipalon vaikutuksille. Suunnittelutyössä pätevät samat rajoitukset kun poistumisen simuloinnissa muutenkin, eli poistumisen todellisen keston ennustaminen on usein epävarmaa, mutta eri suunnitteluratkaisujen vertailu huomattavasti tarkempaa. 11

3.4 Poistumismallin muodostaminen Jotta poistumista voidaan simuloida, täytyy se mallintaa tavalla, jota tietokone kykenee laskennallisesti käsittelemään. Käytännössä tämä tarkoittaa, että poistumistapahtumaa kuvataan erilaisilla muuttujilla, ja näiden muuttujien välisillä riippuvuuksilla luodaan logiikka, jolla tietokone mallia ratkaisee. Lähes kaikissa poistumissimulointiohjelmissa on jo sisäänrakennettuna jokin poistumismalli, joten käyttäjän tarvitsee vain valita tarkoitukseen sopiva ohjelma ja antaa lähtötietoina tarkasteltava poistumisgeometria ihmisineen. (Tässä työssä tätä geometrian ja lähtötilanteen määrittämistä kutsutaan myös mallintamiseksi ja lopputulosta simulointimalliksi, mikä on hyvä huomioida käsitteiden sekoittamisen välttämiseksi.) Poistumista voidaan mallintaa useilla eri periaatteilla, joista yleiseen käyttöön on vakiintunut muutama erilainen tapa. Jokseenkin kaikille yleisesti käytetyille mallinnusperiaatteille on myös tarjolla useampia simulointiohjelmia. Myös tämän tutkimuksen poistumissimulointeihin käytettiin valmista simulointiohjelmaa poistumismalleineen, joten mallia ei sinänsä tarvinnut tässä yhteydessä erikseen rakentaa. Koska simulointitulosten käyttökelpoisuus kuitenkin riippuu pitkälti käytettävän poistumismallin ominaisuuksista, oli tarpeen määrittää tietyt valittavan simulointiohjelman poistumismallilta vaadittavat perusominaisuudet. Vaatimusten pohjalta voitiin sitten etsiä simulointiohjelmat, joiden poistumismallit täyttivät asetetut kriteerit, ja valita simulointiohjelma tästä rajatusta joukosta. Ehkä tärkein periaatteellinen valinta on poistumismallin laskentahilan tarkkuus: mallinnetaanko ihmisten sijainti siis esimerkiksi vain huoneen tarkkuudella (verkkomallit), tarkemmalla myös huoneen sisälle ulottuvalla laskentahilalla (hienon hilan verkkomallit ja soluautomaatit) vai täysin jatkuvana [12]. Koska tässä työssä tutkitaan myös pienten yksityiskohtien vaikutusta poistumiseen, jatkuva malli oli itsestään selvä valinta, sillä se on kaikkein tarkin ihmisten liikkeen käsittelyssä. Toinen mallintamista koskeva periaate on tapa, jolla ihmisjoukko mallinnetaan. Yksinkertaisin tapa on mallintaa ihmiset homogeenisena, itsenäiseen ajatteluun kykenemättömänä joukkona, jolloin ihmisten liikkuminen vertautuu esimerkiksi putkessa virtaavaan nesteeseen. Vaikka tällainenkin malli mahdollistaa erilaisten poistumisgeometrioiden tutkimisen, jättää se huomioitta ihmisten keskinäisistä eroavaisuuksista aiheutuvat ilmiöt, jotka tyypillisesti aiheuttavat virtaukseen häiriöitä. Tämän vuoksi tutkimuksessa valittiin käytettäväksi malli, jossa ihmisiä käsitellään yksilöinä, joilla voi olla yksilöllisiä ominaisuuksia kuten koko, kävelynopeus ja reaktioaika. Näin malliin saadaan muodostettua ihmisjoukko, jonka ominaisuudet vastaavat mahdollisimman hyvin todellisen poistumistilanteen ihmisiä. Yksittäisen ihmisen mallintamisessa periaatteeksi otettiin, että myös tärkeimmät ihmisten käyttäytymiseen liittyvät seikat huomioidaan. Vaikka erityisesti tungoksessa ihmisten liike saattaakin monella tapaa muistuttaa neste- tai muuta virtausta, vaikuttaa liikkeeseen silti useita ihmisten käyttäytymiseen liittyviä seikkoja. Tärkeimpiä näistä ovat ihmisten taipumus välttää törmäyksiä ja pitää etäisyyttä esteisiin ja toisiin ihmisiin, samoin kuin pyrkimys ylläpitää omaa tavoitenopeuttaan esimerkiksi muita ohittamalla. Nämä piirteet saattavat aiheuttaa liikkumiseen suuriakin muutoksia täysin aivottomaan joukkoon verrattuna, minkä vuoksi niiden huomioimista käytettävässä poistumismallissa pidettiin tärkeänä. 12