Rakenteiden toiminnallinen palomitoitus

Rakenteiden toiminnallinen palomitoitus Oletettuun palonkehitykseen perustuva toiminnallinen paloturvallisuussuunnittelu on sekä kotimaisissa (RakMK E1) että eurooppalaisissa viranomaismääräyksissä (EN-standardit) hyväksytty menettely rakenteellisen paloturvallisuuden varmistamiseksi. Monivuotisessa eurooppalaisessa tutkimusprojektissa on kehitetty laskentamenettely, jolla voidaan ottaa huomioon rakennuksen yksilölliset ominaispiirteet sekä passiiviset ja aktiiviset palontorjuntatoimet rakenteiden paloturvallisuussuunnittelussa. Menetelmän käytöllä voidaan saavuttaa realistinen ymmärrys rakenteiden toiminnasta tulipalossa sekä varmistua rakenteiden kokonaisturvallisuudesta. 1 CFI 00.000 FI/9/2008 Lönnberg Print 67582_RUUKKI_FIN.indd 1 15.9.2008 11:28:28

Sisältö 1. Johdanto... 3 2. Mitä on toiminnallinen palomitoitus?... 4 2.1. Yleistä... 4 2.2. Tavoitteet ja keinot... 5 2.2.1. Tavoiteltava turvallisuustaso... 5 2.2.2. Mitoituspalon valinta... 5 2.2.3. Palonkehityksen laskenta... 5 2.2.4. Rakenteiden käyttäytyminen palossa... 6 2.3. Rakenteellisen palomitoitussuunnitelman tehtävät ja tulosteet... 7 2.4. Suunnittelussa käytettävät apuvälineet... 11 3. Toiminnallisen palomitoituksen hyväksyttävyys... 11 3.1. Viranomaisvaatimukset... 11 3.2. Tarvittava dokumentaatio... 11 4. Yhteenveto ja johtopäätökset... 11 Kirjallisuusviitteet... 12 2 67582_RUUKKI_FIN.indd 2 15.9.2008 11:28:28

1. Johdanto Nykyiset ns. standardipaloon perustuvat rakenteiden palonkestovaatimukset ovat johtaneet hyvin erilaisiin käytäntöihin Euroopan eri maissa. Samanlaisen kohteen palonkestoaikana ilmoitettava kestävyysvaatimus saattaa vaihdella jopa 60 minuutista (Hollanti) 120 minuuttiin (Suomi), kuten keskikorkuisen sprinklerein varustetun toimistorakennuksen tapauksessa. Yleensäkään vaatimukset eivät ota riittävästi kantaa sprinklereiden vaikutukseen. Rakennusten erilaisten käyttötarkoitusten ja muiden yksilöllisten ominaisuuksien vuoksi palonkestovaatimusten pitäisi perustua tekijöihin, jotka vaikuttavat palon kasvuun ja kehitykseen sekä henkilöiden turvallisuuden varmistamiseen: Palo-osasto: - palo-osaston tyyppi - palo-osaston koko - palo-osaston geometria - edellä mainittujen tekijöiden mahdolliset muutokset rakennuksen käyttöiän aikana Palo: - erilaiset palotilanteet - palojen esiintymistodennäköisyydet - palon leviäminen - palon kesto ja kehittyminen: myös hiipumisvaihe on otettava huomioon - palokuorman määrä ja jakauma sekä näiden muutokset rakennuksen käyttöiän aikana - paloteho Ilmanvaihto-olosuhteet Rakennejärjestelmä Poistumismahdollisuudet Pelastushenkilöstön turvallisuus Naapurirakennusten syttymisriski Aktiiviset palontorjuntalaitteistot Näiden eri tekijöiden systemaattista tarkastelua varten aloitettiin vuonna 1994 eurooppalainen projekti Natural Fire Safety Concept (NFSC) [1], [2], jossa oli mukana 10 tutkimuslaitosta eri maista. Kehitystyötä koordinoi ohjausryhmä, joka koostui palomiehistä, palosäädösten tekijöistä ja suunnittelijoista 11 maasta. Projektissa kehitettiin rakenteellisen paloturvallisuuden analysointia varten todenmukaisempi ja luotettavampi lähestymistapa, jossa otetaan huomioon aktiivinen palontorjunta ja palon todelliset ominaisuudet. Luonnollinen palonkehitys on mahdollista määrittää rakennuksen eri palo-osastoille erikseen kunkin osaston ominaisuuksien perusteella. Menetelmä soveltuu kaikille rakennemateriaaleille ja rakennuksille. Tutkimuksessa on kehitetty menetelmä, jossa: otetaan huomioon rakennuksen ominaisuudet palonkehityksen kannalta, paloskenaario, palokuorma, pyrolyysinopeus (palamisnopeus), osaston tyyppi ja ilmanvaihto-olosuhteet määritetään kohteen syttymisriski ja arvioidaan aktiivisen palontorjunnan ja rakennustyypin vaikutukset. Tämä riskianalyysi perustuu todennäköisyyksiin, jotka on arvioitu todellisista paloista kootun tietokannan perusteella. Myöhemmin menetelmää on kehitetty niin, että mitoituspalot määritetään laajan Monte Carlo analyysin perusteella. arvioidaan edellisen kohdan perusteella suunnitteluarvot pääparametreille (esim. palokuorma) määritellään lämpötilan kehitys palokuorman funktiona, jossa otetaan välillisesti huomioon paloriski ja sammutusjärjestelmä - lämpötilan kehitys tulee ottaa huomioon koko palon aikana, ts. myös hiipumisvaiheen aikana, joka on rakenteellisesti usein ongelmallinen simuloidaan rakenteen käyttäytymistä palossa siihen kohdistuvan lämpötilan kehityksen ja staattisen kuormituksen suhteen määritetään palonkestoaika. Palonkestoaika voi olla usein ääretön, jolloin rakenne kestää siihen kohdistuvat kuormat palon alusta loppuun saakka varmennetaan rakenteen turvallisuus vertaamalla laskettua palonkestoaikaa vaadittuun aikaan, joka riippuu poistumisajasta, palokunnan toimintamahdollisuuksien turvaamisesta ja mahdollisen sortuman seurauksista. Tässä selostuksessa esitetään rakenteiden toiminnallisen palomitoituksen perusteet, rakenteellisen paloturvallisuus-suunnitelman sisältö ja menettelyn hyväksyttävyys rakennusten paloturvallisuussuunnittelussa. Suomessa on aikaisemmin julkaistu aiheesta myös mm. ohje RIL 221-2003 Paloturvallisuussuunnittelu [3]. On selvää, että palomitoitusmenettelystä riippumatta on tärkeätä pitää palosuunnittelun aloituspalaveri rakennuttajan, rakennusvalvontaviranomaisten ja kohteen suunnittelijoiden kesken. Erityisen tärkeätä tämä on toiminnallisen palomitoituksen tapauksessa. 3 67582_RUUKKI_FIN.indd 3 15.9.2008 11:28:29

2. Mitä on toiminnallinen palomitoitus? 2.1. Yleistä Oletettuun palonkehitykseen perustuvan (toiminnallisen) rakenteellisen palomitoituksen (engl. performance-based fi re safety design, natural fi re safety design) kulku yleisessä tapauksessa on esitetty kuvassa 1. Paloturvallisuuden varmistaminen voidaan tehdä vertaamalla vaadittua palonkestoaikaa (t fi requ ) ja laskennallisesti nat toteutuvaa palonkestoaikaa (t fi d ) toisiinsa samaan tapaan kuin standardipaloon perustuvassa mitoituksessa. Mitoitusehdoksi tulee tällöin yksinkertainen yhtälö t fi,d t fi,requ, jolla kuitenkin otetaan asianmukaisesti huomioon kaikki edellä mainitut tekijät. On kuitenkin syytä huomata, että vaadittu palonkestoaika ei ole toiminnallisessa mitoituksessa sama kuin ns. taulukkomitoituksessa, vaan myös se määritetään toiminnallisesti. Vastaava vertailu voidaan toisaalta tehdä myös materiaalin lujuuksien ja jännityksien suhteen. nat Staattiset kuormat - Omapaino, - Hyötykuormat, - Tuuli - Lumi jne. Palotilan olosuhteet - Palokuorma - Ilmanvaihtoolosuhteet - Tilan geometria - Pintojen lämpötekniset ominaisuudet Riskitarkastelu - Palon aktivoitumisriski - Aktiivisen palontorjunnan vaikutus Henkilöturvallisuus - Poistumisaika - Palokunnan toimintamahdollisuuksien turvaaminen - Rakenteiden mahdollinen sortuminen tai vaadittu palonkestoaika Palon mallinnus, jonka tuloksena mitoituspalokäyrät - Monte Carlo laskenta - FDS laskenta - Muut verifi oidut laskentaohjelmat Mitoitusehdon tarkistus Vertailu laskennallisesti toteutuvan palonkestoajan ja vaaditun palonkestoajan välillä. Vaatimus: Kuormitukset Kuormitusyhdistelmät palotilanteessa. Rakennelaskenta Rakenteiden kestävyys valituissa mitoituspaloissa. nat t fi,d t fi,requ Kuva 1. Oletettuun palonkehitykseen perustuvan rakenteellisen palomitoituksen kulku yksinkertaistettuna. Kuvassa 2 on esitetty vertailu tyypillisten luonnollisten palokäyrien ja ns. standardipalokäyrän (ISO-käyrä) [4] erot eri palotapauksien kohdalla (eri palotapauksissa vaihtelevat palo-osaston koko, palokuorma, seinäeristeet, syttymisominaisuudet jne.). Kuvasta huomataan, kuinka paljon luonnolliset palot poikkeavat standardipalosta, joka alun perin kehitettiin palotestausta ja materiaalien ja rakenteiden luokittelua varten. Todellisella palolla on ominaisuuksia, joita ei ole otettu standardipalokäyrässä huomioon (ks. kuva 3). Standardipalossa laskennallinen lämpötila nousee nopeasti hyvin korkeaksi koko palotilassa ja jatkaa hitaampaa nousua aina tarkastelun lopettamiseen saakka. Standardipalo ei ota huomioon esimerkiksi palotilan geometriaa, palokuorman tyyppiä, määrää ja sijaintia, palon saamaa hapen määrää, palon hiipumisvaihetta jne. Luonnollisen palon eri vaiheet sen sijaan ovat: Kytemisvaihe, johon lasketaan kuuluviksi syttyminen ja kytevä palo alhaisissa lämpötiloissa. Kytemisvaiheen kestoa on vaikea arvioida. Kasvuvaihe eli lieskahdusta edeltävä vaihe (paikallinen palo tai leviävä palo). Kasvuvaiheen kesto riippuu pääosin palo-osaston ominaisuuksista. Lieskahdus, jolla tarkoitetaan koko tilan yleispalovaiheen alkua. Lieskahdus on yleensä melko lyhytkestoinen erillinen tapahtuma ja poikkeaa siinä suhteessa luonnollisen palon muista vaiheista. Aina ei lieskahdusta kuitenkaan tapahdu (esim. suuret tilat). Lieskahduksen jälkeinen vaihe, jonka kesto riippuu palokuormasta ja palon happirajoitteisuudesta. Tässä vaiheessa palo on tehokkaimmillaan ja lämpötilat korkeimmillaan. Hiipumisvaihe, jolloin palo alkaa menettää tehoaan ja lämpötilat alentua, kunnes kaikki syttyvä materiaali on palanut. 4 67582_RUUKKI_FIN.indd 4 15.9.2008 11:28:29

2.2. Tavoitteet ja keinot 2.2.1. Tavoiteltava turvallisuustaso Toiminnallisen palomitoituksen tavoitteena on ymmärtää mahdollisen palon aikaiset tapahtumat entistä paremmin ja suunnitella rakennuksen palonkestävyys ottamalla huomioon eri tekijöiden vaikutukset henkilöiden ja rakenteiden turvallisuuteen. Tavoitteena ei ole heikentää paloturvallisuusmääräyksissä asetettua turvallisuustasoa, vaan päinvastoin määrittää kohdekohtaisesti todenmukaisempia arvoja tekijöille, jotka paloturvallisuuteen vaikuttavat. Ilmiöiden syvällisemmällä ymmärtämisellä ja tarkemmalla analyysilla saavutetaan yhtä hyvä tai parempi turvallisuustaso, kuin yleisillä standardipaloon perustuvilla määräyksillä. Ensisijaisena tavoitteena on varmistua rakennuksessa olevien henkilöiden ja pelastushenkilökunnan turvallisuudesta, toissijaisena tavoitteena pienentää palosta aiheutuvia taloudellisia, aineellisia ja rakenteellisia vahinkoja. On ollut pitkään hyväksyttyä, että rakennukset mitoitetaan normaalilämpötiloissa tilastollisiin todennäköisyyksiin perustuville kuormituksille, kuten omapainolle, hyötykuormille, lumikuormille ja tuulikuormille. Rakennuksen palokuorma voidaan myös määrittää samantyyppisenä tilastollisena jakaumana. Tänä päivänä on kuitenkin suositeltavaa tehdä mitoituspalokäyrän määrittämiseksi ns. Monte Carlo -laskenta, joka perustuu tuhansien satunnaisotannalla määritettyjen palotilanteiden laskentaan tietokonealgoritmilla. Näin saad uista tuloskäyristä voidaan sitten valita tiettyä turvallisuustasoa vastaava fraktiili. Aktiivisen (esim. sprinklaus, palokunnan toiminta) ja passiivisen (esim. rakenteellinen palosuojaus) palontorjunnan sopivaa yhdistelmää käyttäen voidaan toiminnallisella palosuunnittelulla saavuttaa kohteelle tavoiteltu turvallisuustaso. Viranomaisten tehtävänä on määrätä, mitä uhkakuvia tietyn kohteen suunnittelussa on otettava huomioon. Näiden uhkakuvien huomioon ottaminen on paloturvallisuussuunnittelijan tehtävä. Suunnittelijan tulee esittää tarkastelut perusteellisesti ja sisällyttää tarvittavat herkkyysanalyysit suunnitelmaan. Kuten muussakin suunnittelussa, myös toiminnallisessa suunnittelussa asioita joudutaan yksinkertaistamaan. Suunnittelijan on huolehdittava siitä, että yksinkertaistukset johtavat turvallisella puolella oleviin tuloksiin. Suunnitelmien tarkastuksessa viranomainen voi käyttää hyväkseen myös kolmatta asiantuntijaosapuolta. 1400 1200 ISO - käyrä verrattuna 50 palokokeen tuloksiin (Palokuorma 10-45 kg puuta / m²) Tasainen kaasun lämpötila 1200 C TODELLINEN PALONKEHITYS 1000 ISO- käyrä 1000 C 800 C ISO-KÄYRÄ 800 600 C Todellinen palokäyrä 600 400 C 200 C Lieskahdus 400 0 C Aika [min] 0 30 60 90 120 180 200 Ennen lieskahdusta θ Täysin kehittynyt palo 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Kuva 2. Luonnollisen palon ja standardipalokokeen (SFS-EN 1636-1) aika-lämpötilakäyrät [5]. Kuva 3. Luonnollisen palon vaiheet ja vertailu standardipalokäyrään [5]. 2.2.2. Mitoituspalon valinta Tärkeä vaihe toiminnallisessa palomitoituksessa on kriittisten mitoituspalojen määrittäminen suunniteltavalle rakennukselle. Mahdollisia palotapauksia voi rakennukselle olla tietysti määritettävissä hyvin suurin määrä, mutta vain osa niistä on kriittisiä ja vaatii laajempaa tarkastelua. Mitoituspalojen ominaisuudet ja lukumäärä riippuvat mm. rakennuksen geometriasta, käyttötarkoituksesta, palokuormituksesta jne. Erilaisille palotapauksille (paloskenaarioille) on määritettävä kriittisyysaste ja esiintymistodennäköisyys, joiden perusteella tarkasteltavat palotapaukset valitaan. Tärkeätä on muistaa myös herkkyystarkastelun tekeminen eri tekijöiden suhteen. Mitoituspalojen määrääminen on viranomaisten vastuulla ja niistä on syytä keskustella projektin palosuunnittelun aloituspalaverissa. 2.2.3. Palonkehityksen laskenta Palonkehityksen laskentaan on eritasoisia menetelmiä: Yksinkertaisilla malleilla tarkoitetaan pääasiassa esisuunnitteluvaiheessa tarkasteltavia parametrisia paloja (vanhoissa ohjeissa huonepalo). Parametriset palokäyrät ottavat huomioon mm. palokuorman suuruuden, palo-osaston koon ja tuuletusaukkojen määrän. 5 67582_RUUKKI_FIN.indd 5 15.9.2008 11:28:29

Vyöhykemalleilla voidaan niiden suhteellisesta yksinkertaisuudesta huolimatta ottaa huomioon kaikki tärkeimmät paloon vaikuttavat tekijät. Kenttämallit tarjoavat ainoan keinon laskea monimutkaisen geometrian omaavia kohteita. Kenttämalleilla tarkoitetaan esimerkiksi numeerisen virtausmallinnuksen (CFD, Computational Fluid Dynamics) käyttöä. Parametrisiä käyriä on määritetty esimerkiksi Eurocodestandardissa SFS-EN 1991-1-2 [6]. Toiminnallisen palomitoituksen käyttöön ne antavat yleensä liian karkeita tuloksia. Sen sijaan vyöhyke- ja kenttämallien käytöllä voidaan kuvata palo-osaston lämpötiloja ja lämpövirtauksia riittävällä tarkkuudella. Palonkehityksen pääparametri on lämmönvapautumisnopeus (rate of heat release RHR), joka on osaston koon ja käytön sekä ajan funktio. Lämmönvapautumisnopeus on suurimmillaan, kun polttoaineen määrän tai ilmanvaihdon rajoittama palo saavuttaa pysyvyystilan. Yksi arvioitava asia on, miten lämmönvapautumisnopeus kehittyy: tapahtuuko lieskahdusta, vai jääkö palo paikalliseksi. Ennen lieskahdusta voidaan käyttää kuvan 4 mukaista kaksivyöhykemallia, jossa oletetaan, että paikallinen palo kehittää tilaan kaksi lämpötilavyöhykettä: kuuman vyöhykkeen tilan yläosaan, jonne savukaasut nousevat, ja kylmän (normaalilämpöisen) vyöhykkeen tilan alaosaan. Joissain tapauksissa kaksivyöhykemallin käyttö voi johtaa kattorakenteiden osalta epävarmalla puolella oleviin (liian alhaisiin) lämpötiloihin. Tämän välttämiseksi on syytä laskea rakenteiden lämpötilat myös ns. paikallisen palon malleilla, jotka perustuvat lukuisiin tutkimusprojekteihin. Tutkimustulosten yhdistetty käyttö mahdollistaa lämpötilakentän ja rakenteen lämpörasitusten määrittämisen liekin lähellä ja etäämpänä siitä. Lieskahduksen jälkeen palon luonne muuttuu. Tällöin koko tila on liekeissä ja oletetaan, että tilannetta voidaan kuvata riittävän tarkasti yhdellä lämpötilakäyrällä. Tällöin puhutaan yksivyöhykemallista. Vyöhykemallinnusta varten on olemassa useita eri ohjelmistoja. Niiden käytölle on määritetty huoneen mitoista riippuvat taulukon 1 mukaiset ohjearvot. Taulukko 1. Vyöhykemallin käytön rajat. L = huoneen pituus; W = huoneen leveys; H = huoneen korkeus [7]. Hyväksyttävä Vaatii Ei erityistarkastelua hyväksyttävä (L/W) max L/W < 3 3 < L/W < 5 L/W > 5 (L/H) max L/H < 3 3 < L/H < 6 L/H >6 (W/H) min W/H > 0,4 0,2 < W/H < 0,4 W/H < 0,2 Tänä päivänä on kuitenkin yleisempää suorittaa palon mallinnus vyöhykemallinnusta kehittyneemmillä CFDmallinnusta hyödyntävillä ohjelmistoilla, joista yleisimmin käytetty on FDS (Fire Dynamics Simulator) [8]. θ= Ilman lämpötila katon tasossa Paikallisen palon kaavoilla laskettu lämpötila Kaksivyöhykemallin mukainen lämpötila Välipohja x z Kuuma vyöhyke θ g Kylmä vyöhyke θ 20 C (kuuma vyöhyke) θ Kuva 4. Paikallisen palon tapauksessa ennen lieskahdusta käytettävä kaksivyöhykemalli [4]. 2.2.4. Rakenteiden käyttäytyminen palossa Rakenteiden kestävyyden laskennassa on oleellista tuntea niiden lämpötilakehitys ajan ja paikan funktiona. Lämmön siirtyminen rakenteisiin voidaan laskea eri tarkkuuksilla riippuen käytössä olevista menetelmistä. Samoin rakenteiden käyttäytymisen arviointi palotilanteessa voidaan suorittaa eritasoisin menetelmin määritetyn lämpötilajakauman ja palotilanteessa vaikuttavien kuormien perusteella. Yksinkertaisessa mallissa laskenta perustuu ns. määrättyyn kriittiseen lämpötilaan. Jos rakenteen lämpötila py- 6 67582_RUUKKI_FIN.indd 6 15.9.2008 11:28:29

syy kriittistä lämpötilaa alempana, rakenne kestää siihen kohdistuvat rasitukset ja jos se kohoaa sen yli, rakenne sortuu. Tavoite saavutetaan, jos kriittisen lämpötilan saavuttamiseen kuluva aika on pitempi kuin vaadittu palonkestoaika (vrt. kuva 1). Kehittyneempiä malleja, kuten elementtimenetelmään perustuvia numeerisia malleja, voidaan myös käyttää. Laskennan tuloksena saadaan yleensä rakenteen muodonmuutokset koko palon aikana. Rakenteen käyttäytymisen tunteminen palossa mahdollistaa tapauskohtaisesti paloturvallisuuskriteerien asettamisen rajoitettujen muodonmuutosten ja rakenteen vaurioitumisen perusteella. Toimivuuskriteerien asettaminen riippuu sortuman seurauksista ja rakennuksen käytöstä. Esimerkiksi joillekin korkean vaatimustason monikerroksisille rakennuksille tämä voi tarkoittaa, että palon aikana ei saa tapahtua mitään rakenteellisia vaurioita. 2.3. Rakenteellisen palomitoitussuunnitelman tehtävät ja tulosteet Jotta toiminnallista palomitoitusta voidaan käyttää, on rakennuksen ominaisuudet tunnettava palo-osastokohtaisesti. Seuraavilla sivuilla on lueteltu rakenteellisen palomitoituksen tehtävät ja suunnitelmassa esitettävät tulosteet. Kaikissa hankkeissa pakolliset tulosteet on merkitty täyspunaisella ympyrällä. Punareunaisella ympyrällä merkityt tulosteet eivät ole kaikissa suunnittelutapauksissa välttämättömiä. Taulukon laadinnassa on käytetty hyväksi mm. VTT:n julkaisua Toiminnallinen palotekninen suunnittelu ja suunnitelmien tarkastaminen: Näkökulmia ja ohjeita [9]. Taulukko 2. Rakenteellisen palomitoitussuunnitelman tehtävät ja tulosteet. Tehtävät 1. Rakennuksen käyttö- ja suunnittelutietojen määrittäminen Tulosteet Palosuunnitteluun vaikuttavien tekijöiden määrittäminen. Menetelmien valinta ja niiden soveltuvuuden määrittäminen. Määräysten mukaan suunnittelussa käytetään menetelmiä, joiden kelpoisuus on osoitettu. Tämän lisäksi on oleellista, että menetelmiä käytetään asiantuntevasti. Hyväksymiskriteerien määrittäminen. Hyväksymiskriteerit asettavat mitan suunnitteluratkaisun turvallisuudelle. Vielä toistaiseksi niistä sovitaan kohdekohtaisesti paikallisten viranomaisten kanssa. Valitaan noudatettava normijärjestelmä sekä mallinnusmenetelmät. Koko mitoitusprosessin ajan täytyy pysyä saman normijärjestelmän sisällä. Rakennuksen käyttö- ja huoltokirjan täydentäminen paloturvallisuutta koskevilla tiedoilla. Rakennuksen käytöstä koko sen elinkaaren aikana tehdyt oletukset perusteluineen. Palokunnan toimintamahdollisuuksista tehdyt oletukset ja niiden perustelut. Vikaantumistarkastelu tarvittavassa laajuudessa perusteluineen. Rakennuksen käytön aikana edellytettävät huoltoja kunnossapitotoimet. Käytettyjen menetelmien kuvaus, joka sisältää laskenta- ja koemenetelmien soveltuvuusarvion rajoituksineen sekä lähtötiedot ja tehdyt oletukset perusteluineen. Kaikki tietolähteet tulee tuoda selvästi esille. Rakenteen mitoituksen hyväksymiskriteerit perusteluineen. Mitoitusmenetelmien ja normien määrittely. Jos käytettävä normijärjestelmä ei sisällä ohjeita kaikkien tekijöiden huomioonottamiseksi ja käytetään muita menetelmiä, on näiden luotettavuus ja soveltuvuus selvitettävä perustellusti. Menetelmien soveltaminen kyseiseen suunnittelutapaukseen tulee esittää siinä laajuudessa, että soveltaminen voitaisiin tarvittaessa toistaa muun tahon toimesta. Rakennuksen huoltokirjaan merkitään kaikki oleellinen tieto paloturvallisuutta koskevista rakennuksen käyttöön ja sen käyttötarkoituksen muutoksiin liittyvistä asioista. Huoltokirjaa päivitetään rakennuksen käyttöaikana siten, että viimeisin tieto on aina rakennuksen omistajan ja haltijan hallussa. 7 67582_RUUKKI_FIN.indd 7 15.9.2008 11:28:29

2. Palon mallinnus Tehtävät Tulosteet Palo-osaston geometrian määrittäminen. Palo-osastoa rajoittavien pintojen ominaisuuksien määrittäminen. Palo-osaston aukkojen määrittäminen. Erilaisten mahdollisten palotilanteiden (paloskenaarioiden) määrittäminen. Toiminnallinen palomitoitus perustuu valittuihin uhkakuviin ja niitä kuvaamaan käytettäviin mitoituspaloihin, joista sovitaan yhdessä paloviranomaisten kanssa ennen suunnittelun käynnistämistä. Tietty uhkakuva on kuvaus siitä, miten, missä ja milloin palo tapahtuu sekä siitä, mitkä ovat palon uhkaamat tekijät. Lähemmin tarkasteltaviksi otettavien palojen valinta. Kriittisten palotilanteiden tarkempi määrittely. Rakennuksen aktiivisen palontorjunnan välineiden huomioon ottaminen. Ilmanvaihtojärjestelmän vaikutusten huomioon ottaminen. Palo-osaston pituus, leveys ja korkeus ja tarvittaessa muut mittatiedot. Pienet poikkeamat (esimerkiksi konsolit, pilarit tai palkit), eivät yleensä vaikuta palon mallinnukseen laskentaohjelmilla ja voidaan usein jättää tässä vaiheessa huomiotta. Palo-osaston seinien, katon ja lattian termiset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti, emissiviteetti, tiheys ym.) lämpötilan funktioina. Aukkojen, kuten ovien, ikkunoiden ja savunpoistoluukkujen sijainnit ja mitat. Aukkojen auki- ja kiinniolo palon aikana ja muutokset näissä. Ikkunoiden kestävyyden arviointi palon aikana. Ikkunoiden rikkoontumisesta tehtävät oletukset. On huomattava, että ikkunoiden rikkoontumista on usein vaikea määrittää tarkasti, minkä vuoksi herkkyysanalyysi on tarpeellinen. Palotilan aukkotekijän määrittäminen. Erilaisten palotilanteiden määrittäminen. Tämä tehtävä vaatii suunnittelijalta riittävää asiantuntemusta ja kokemusta erilaisten palojen määrittämisessä. Erilaisia mitoituspaloja on esitetty Paloturvallisuussuunnittelijan oppimisympäristö-sivustolla [10]. Mitoituspalo esittää, miten palon voimakkuus eli tulipalossa vapautuva lämpöenergian määrä (paloteho) kehittyy ajan kuluessa. Erilaisten palotilanteiden kriittinen arviointi ja kriittisiksi katsottujen palotilanteiden valinta lähempään tarkasteluun. Kriittisiksi katsottujen palotilanteiden esittely ja perustelut niiden valinnalle ja riittävyydelle. Kaikille eri palotilanteille määritetään palokuorman tyyppi, määrä ja sijainti, jotka ilmoitetaan selkeästi. Palokuorman tiheys ei ole tarkasti määrätty suure, vaan se vaihtelee tilastollisesti esimerkiksi rakennuksen käyttötarkoituksen mukaan. Suuri osa erilaisissa oppaissa ja ohjeissa olevista palokuorman tiheyden arvoista perustuu vanhentuneisiin tietoihin, minkä vuoksi niihin tulee suhtautua varauksella. Tapauskohtaisesti voi olla syytä suorittaa omia arviointilaskelmia palokuormien määrittämiseksi. Aktiivisen palontorjunnan välineiden toiminnan vaikutukset rakenteellisen palonkeston näkökulmasta. Aktiivisella palontorjunnalla tarkoitetaan laitteita ja välineitä, joiden avulla alkanut tulipalo pyritään sammuttamaan tai sen leviämistä rajoitetaan aktiivisin toimin. Esimerkkeinä mainittakoon palohälyttimet, alkusammutuskalustot ja sprinklerit. Myös palokunta lasketaan aktiivisen palontorjunnan piiriin, mutta sen suhteen on otettava huomioon paloaseman mahdollinen siirtyminen toiseen paikkaan rakennuksen käyttöiän aikana. Aktiivisen palontorjunnan laitteistojen ja keinojen riittävän tehokas toiminta voi saada aikaan sen, että mitään rakenteellista ongelmaa ei palon aikana pääse lainkaan syntymään. Ilmanvaihtojärjestelmien sijainti ja toiminta. Voidaanko järjestelmä kytkeä pois päältä, tai kytkeytyykö se automaatti- 8 67582_RUUKKI_FIN.indd 8 15.9.2008 11:28:30

Tehtävät Tulosteet sesti pois päältä palohälytyksen tullessa? IV järjestelmällä voi olla merkittävä vaikutus palon hapensaantiin ja leviämiseen. Palotilanteiden mallinnus. Herkkyystarkastelun tekeminen. Raportointi. Jokaisen kriittisesti katsotun palotilanteen mallinnus tehdään valitulla tarkkuudella käyttäen asianmukaisia menetelmiä ja apuvälineitä. Tuloksina on esitettävä ainakin palotilan kaasun lämpötilat ja lämpövirtaukset ajan ja paikan funktioina koko tarkasteluajalta (myös hiipumisvaihe), savupatjan korkeus palon eri vaiheissa sekä laskennassa toteutunut paloteho tulosten tarkistamista varten. Selostus tehdyistä herkkyystarkasteluista eri vaikuttavien tekijöiden suhteen. Perustelut herkkyystarkastelun riittävyydestä ja johtopäätökset. Yksityiskohtainen raportti palon mallinnuksesta, tehdyistä tarkasteluista ja herkkyystarkasteluista. Johtopäätökset koko analyysin perusteella. 3. Lämmönsiirron laskenta palosta rakenteisiin Rakenteiden geometrian määrittäminen. Rakennemateriaalien lämmönsiirto-ominaisuuksien määrittäminen. Passiivisten palosuojausten määrittely. Kriittisten rakenneosien määrittäminen suhteessa tarkasteltaviin palotilanteisiin. Tarkastelun tarkkuuden valinta. Lämmönsiirron laskenta eri palotilanteissa. Yksittäisten kantavien rakenneosien mitat ja sijainnit. Eri rakennemateriaalien lämmönsiirto-ominaisuudet lämpötilan funktioina. Yleensä tarvitaan tiedot ainakin lämmönjohtavuudesta, ominaislämpökapasiteetista, tiheydestä, materiaalin pinnan emissiivisyydestä ja pinnan lämmönsiirtokertoimesta (konvektiokerroin). Rakenteiden suojaukseen mahdollisesti käytettyjen passiivisten palosuojausten määrittely. Teräsrakenteiden passiivisena palosuojauksena voidaan käyttää esimerkiksi palosuojalevyjä, -maaleja ja massoja tai muita rakennusmateriaaleja, kuten betonia. Palosuojamateriaalina käytetyn materiaalin antama suoja pitää määrittää suojakerroksen paksuuden ja materiaalin lämmönsiirto-ominaisuuksien avulla lämpötilan ja/tai ajan funktioina. Riippuen suunnittelutapauksesta, passiiviset palosuojaukset ovat nimenomaan koko palomitoituksen tuloksina saatavat tulosteet. Jokaiselle valitulle kriittiselle palotilanteelle määritetään kriittiset rakenneosat, jotka voivat kuormitus- ja suunnittelutilanteesta riippuen sijaita lähellä paloa tai kauempana siitä. Suunnittelija voi joutua tarkastelemaan useita rakenneosia kriittisten osien selvittämiseksi. Esitys valitusta ajan funktiona tehtävästä lämmönsiirron mallinnuksen tarkkuudesta: 1D, 2D vai 3D. Joissain tapauksissa tai jostain rakennuksen osasta voi olla syytä tehdä useampi malli eri tarkkuudella. Varjostustekijöiden vaikutusten selvittäminen rakenneosien saaman lämpörasituksen määrittämisessä. Jotkin laskentaohjelmat pystyvät tekemään tämän automaattisesti. Yksityiskohtainen selostus laskennasta, jossa otetaan huomioon käytössä olevat passiiviset ja aktiiviset palontorjuntakeinot. 9 67582_RUUKKI_FIN.indd 9 15.9.2008 11:28:30

Tehtävät Tulosteet Erillinen selvitys jokaisesta kriittiseksi katsotusta palotilanteesta. Herkkyystarkastelun tekeminen. Raportointi. 4. Rakenneanalyysi Palonkestovaatimusten määrittäminen. Rakennemateriaalien ominaisuuksien määrittäminen. Täsmennetään rakenneanalyysin suorittamisessa noudatettava normijärjestelmä. Rakennemallin määrittäminen. Rakenteiden kuormitusten määrittäminen palotilanteessa. Rakennelaskelmat. Herkkyystarkastelun tekeminen. Raportointi. Selostus tehdyistä herkkyystarkasteluista eri vaikuttavien tekijöiden suhteen. Perustelut herkkyystarkastelun riittävyydestä ja johtopäätökset. Riittävän yksityiskohtainen raportti lämmönsiirron mallinnuksesta, tehdyistä tarkasteluista ja herkkyystarkasteluista. Johtopäätökset koko analyysin perusteella. Tulosteet eri rakenneosien lämpötilakehityksestä koko palon aikana valitulla tarkkuudella. Rakenteen vaadittu palonkestoaika. Rakenteen käytölle asetetut reunaehdot. Kantavien rakenteiden lujuus- ja lämpölaajenemisominaisuuksien määrittäminen lämpötilan funktioina soveltuvien kansallisten tai EN-standardien esittämällä tarkkuudella. Tarkka mitoitusmenetelmien ja normien määrittely. Jos käytettävä normijärjestelmä ei sisällä ohjeita kaikkien tekijöiden huomioonottamiseksi ja käytetään muita menetelmiä, on näiden luotettavuus ja soveltuvuus selvitettävä perustellusti. Eri standardijärjestelmiin kuuluvia standardeja ei saa käyttää yhdessä. Esimerkiksi, jos kuormitukset määritetään EN-standardin mukaisesti, myös rakenteen kestävyys on määritettävä EN-standardin mukaisesti. Yksinkertaistetun rakennemallin piirtäminen, joka voidaan tehdä samojen periaatteiden mukaan, kuin normaalilämpötilan mukaisessa mitoituksessa.. Rakennemallista täytyy käydä ilmi rakenteiden liittyminen toisiinsa ja muut reunaehdot, jotka voivat lämpölaajenemisen vuoksi vaikuttaa mm. palotilanteelle ominaisten pakkovoimien syntyyn rakenteessa. Suunnittelijan on esitettävä, käsitelläänkö rakenteet palotilanteessa erillisinä rakenneosina vai tarkastellaanko koko rakennetta. Tämä vaikuttaa myös käytettäviin laskentaohjelmistoihin ja päinvastoin. Kuormien ja kuormitusyhdistelmien määrittely palotilanteessa käytetyn normijärjestelmän määräysten mukaisesti. Stabiliteettilaskelmat. Koko rungon toiminnan tarkastaminen. Mitoitus onnettomuusrajatilassa (tulipalo). Muodonmuutosten laskenta. Paikalliset stabiiliustarkastelut. Liitosten mitoitus. Selostus tehdyistä herkkyystarkasteluista eri vaikuttavien tekijöiden suhteen. Perustelut herkkyystarkastelun riittävyydestä ja johtopäätökset. Riittävän yksityiskohtainen raportti rakenteen käyttäytymisen mallinnuksesta, tehdyistä tarkasteluista ja herkkyystarkasteluista. Johtopäätökset koko analyysin perusteella. Tulosteet eri rakenneosien käyttäytymisestä ja käyttöasteista koko palon aikana valitulla tarkkuudella. 10 67582_RUUKKI_FIN.indd 10 15.9.2008 11:28:30

2.4. Suunnittelussa käytettävät apuvälineet Rakennuksen toiminnallisessa paloteknisessä suunnittelussa tarvitaan erilaisia erikoisohjelmistoja tehtävän vaativuuden vuoksi. Tulevaisuudessa on tavoitteena sisällyttää paloteknisen suunnittelun tarvitsemat tiedot ja laskentamenetelmät rakennuksen yhtenäiseen tuotemalliin, mutta toistaiseksi joudutaan soveltamaan useita erilaisia ohjelmistoja suunnittelun eri vaiheissa. Tulipalon mallinnuksessa voidaan käyttää tapauskohtaisesti joko vyöhykemalleja (esim. OZone-ohjelmisto [11]) tai kenttämalleja (esim. virtauslaskentaa käyttävät CFDohjelmistot (Computational Fluid Dynamics), kuten FDS (Fire Dynamics Simulator) [8]). Kun palon käyttäytyminen on mallinnettu, pitää laskea lämmön siirtyminen rakenteisiin ajan funktiona. Yksinkertaisimmillaan tämä voidaan tehdä taulukkolaskentaohjelmistolla käyttäen peruslämmön-siirtoyhtälöitä, mutta usein tarvitaan tarkempaa analyysiä, minkä vuoksi on syytä käyttää esim. FEA-ohjelmistoja (Finite Element Analysis, äärellisten elementtien menetelmä). Lopuksi pitää vielä suorittaa rakenteiden kestävyyslaskenta, missä voidaan soveltaa eritasoisia rakenneanalyysi- tai FEA-ohjelmistoja. 3. Toiminnallisen palomitoituksen hyväksyttävyys 3.1. Viranomaisvaatimukset Sekä kotimaisissa että eurooppalaisissa viranomaisvaatimuksissa hyväksytään toiminnallisen palomitoituksen käyttö rakennusten paloturvallisuus-suunnittelussa. Suomen rakentamismääräys-kokoelman osassa E1 Rakennusten paloturvallisuus, Määräykset ja ohjeet 2002 [12], kohdassa 1.3.2 todetaan, että Paloturvallisuusvaatimuksen katsotaan täyttyvän myös, mikäli rakennus suunnitellaan ja rakennetaan perustuen oletettuun palonkehitykseen, joka kattaa kyseisessä rakennuksessa todennäköisesti esiintyvät tilanteet. Vaatimuksen täyttyminen todennetaan tapauskohtaisesti ottaen huomioon rakennuksen ominaisuudet ja käyttö. Rakenteiden kuormituksia palotilanteessa käsittelevässä eurooppalaisessa standardissa SFS EN 1991 1 2 [6] edellytetään, että kehittyneissä palomalleissa otetaan huomioon seuraavaa: - kaasun ominaisuudet - massan vaihtuminen - energian vaihtuminen. Nämä tekijät tulevat huomioon otetuiksi sekä ns. yksi- ja kaksivyöhykemalleissa että edistyneemmissä virtauslaskentaan perustuvissa CFD-malleissa. Kyseisessä standardissa todetaan edelleen, että laskennassa käytetään yhtä seuraavista malleista: - yksivyöhykemalli, jossa ajasta riippuvan lämpötilan oletetaan olevan sama koko palotilassa - kaksivyöhykemalli, jossa palotilassa oletetaan olevan ylempi kerros, jonka paksuus ja paikan suhteen vakiona pysyvä lämpötila kehittyvät ajan mukana, sekä alempi kerros, jonka paikan suhteen vakiona pysyvä ajasta riippuva lämpötila on alempi kuin ylemmän kerroksen lämpötila - laskennallista virtausdynamiikkaa soveltavat mallit, joiden avulla palotilan lämpötilan kehittyminen saadaan täysin ajasta ja paikasta riippuvalla tavalla. Eurooppalaisen teräsrakenteiden palomitoitusta koskevan suunnittelustandardin SFS EN 1993 1 2: 2005 Eurocode 3: Osa 1.2 [13], esipuheessa luetellaan rakennustuotedirektiivissä 89/106/ETY asetetut olennaiset vaatimukset tulipalon riskien rajoittamiseksi (rakenteiden kestävyydelle, tulen ja savun kehittymiselle ja leviämiselle sekä henkilöturvallisuudelle asetetut yleiset vaatimukset) ja todetaan lisäksi seuraavaa: Kukin vaatimus ja sitä vastaava toimivuustaso voidaan määritellä joko yleensä kansallisissa palosäännöksissä esitettävän nimellisen palonkestävyyden (standardipalonkestävyyden) avulla tai selvittämällä paloturvallisuussuunnittelun avulla passiivisten ja aktiivisten toimenpiteiden vaikutukset. 3.2. Tarvittava dokumentaatio Suomen rakentamismääräyskokoelman osan E1 [12] kohdassa 1.3.2 luetellaan palomitoituksen dokumentaation sisällölle asetettuja vaatimuksia. Nämä vaatimukset on sisällytetty myös edellä esitettyyn rakenteellisen palomitoituksen tehtäväluetteloon. 4. Yhteenveto ja johtopäätökset Oletettuun palonkehitykseen perustuva toiminnallinen paloturvallisuussuunnittelu on sekä kotimaisissa että eurooppalaisissa viranomaismääräyksissä hyväksytty menettely rakenteiden paloturvallisuuden varmistamiseksi. Monivuotisessa eurooppalaisessa tutkimusprojektissa on kehitetty laskentamenettely, jolla voidaan ottaa huomioon rakennuksen yksilölliset ominaispiirteet sekä passiiviset ja aktiiviset palontorjuntatoimet rakenteiden paloturvallisuussuunnittelussa. Menetelmien käytöllä voidaan saavuttaa realistinen ymmärrys rakenteiden toiminnasta tulipalossa sekä varmistua rakennuksen kokonaisturvallisuudesta. Ilmiöiden syvällisemmällä ymmärtämisellä ja tarkemmalla analyysilla saavutetaan yhtä hyvä tai parempi turvallisuustaso, kuin yleisillä standardipaloon perustuvilla määräyksillä. Ensisijaisena tavoitteena on varmistua rakennuksessa olevien henkilöiden ja pelastushenkilökunnan turvallisuudesta, toissijaisena tavoitteena pienentää palosta aiheutuvia taloudellisia, aineellisia ja rakenteellisia vahinkoja. Rakennuksen suunnittelun alussa on pidettävä erityinen 11 67582_RUUKKI_FIN.indd 11 15.9.2008 11:28:30

palosuunnittelun aloituspalaveri, jossa rakennuttaja, rakennusvalvontaviranomaiset ja suunnittelijat sopivat toiminnasta rakennuksen suunnittelun suhteen. Rakennusvalvontaviranomaiset asettavat ne vaatimukset, joita käyttäen rakennus suunnitellaan. Selostuksen on laatinut mainittujen lähteiden perusteella TkT Olli Kaitila, Teräsrakenneyhdistys ry. Selostusta ovat kommentoineet TkT Jyri Outinen, Rautaruukki Oyj, TkT Jukka Hietaniemi, VTT, TkT Markku Heinisuo, TTY, sekä Riskienhallintapäällikkö Jussi Rahikainen, Keski-Uudenmaan Pelastuslaitos. Kirjallisuusviitteet [1] Schleich J-B., Cajot L-G., et al.: Competitive steel buildings through natural fi re safety concept. ECSC Research 7210-SA/125,126,213,214,323,423,522, 623,839,937, B-D-E-F-I-L-NL-UK & ECCS, 1994-98, Draft Final Report July 2000 - Parts 1 to 5. [2] Schleich J-B., Cajot L-G., et al.: Valorisation project Natural fi re safety concept. Final report. European Commission EUR 20349 EN, European Communities, 2002. [3] RIL 221-2003 Paloturvallisuussuunnittelu. Suomen rakennusinsinöörien liitto RIL r.y. 2003. [4] SFS-EN 1363-1 Palonkestävyystestit. Osa 1: Yleiset vaatimukset. Fire resistance tests. Part 1: General requirements. CEN European Committee for Standardization, Brussels 2000. [5] Oletettuun palonkehitykseen perustuva paloturvallisuussuunnittelu, Teräsrakenneyhdistys ry, ISBN 952-9683-27-8, Helsinki 2004. [6] SFS-EN 1991-1-2: 2003 Eurocode 1: Rakenteiden kuormat. Osa 1-2: Yleiset kuormat. Palolle altistettujen rakenteiden rasitukset. Actions on structures Part 1.2 : General Actions Actions on structures exposed to fi re. CEN European Committee for Standardization, Brussels. 2003. [7] Palotekninen erityissuunnittelu vyöhykemalleja käyttäen. Lehtimäki et.al., Helsinki: Suomen Pelastusalan Keskusjärjestö. 58 s. + liitt. 16 s. (Tekniikka opastaa 12.) [8] Fire Dynamics Simulator (Version 5). User s Guide. Kevin McGrattan & Bryan Klein (NIST), Simo Hostikka (VTT), Jason Floyd (Hughes Associates, Inc.), NIST National Institute of Standards and Technology in cooperation with VTT Technical Research Centre of Finland. NIST Special Publication 1019-5, January 8, 2008. www.fi re.nist.gov/fds [9] Toiminnallinen palotekninen suunnittelu ja suunnitelmien tarkastaminen: Näkökulmia ja ohjeita. 2. versio, päivitetty 10.9.2007. Jukka Hietaniemi, VTT, 2007. [10] Paloturvallisuussuunnittelijan oppimisympäristö http://proxnet.vtt.fi /fi se/simon/fise/opetusmateriaali/ fi se_etusivu.html Tunnus: fi se-reader. Salasana: June 1906. [11] OZone V2.0 Theoretical Description and Validation on Experimental Fire Tests. JF Cadorin, D. Pintea, JM Franssen, University of Liege, Belgium. 1st Draft, June 11, 2001. http://www.argenco.ulg.ac.be/logiciel.php [12] E1 Suomen Rakentamismääräyskokoelma. Rakennusten paloturvallisuus. Määräykset ja ohjeet 2002. Ympäristöministeriö 2002. [13] SFS-EN 1993-1-2: 2005 Eurocode 3: Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-2: Rakenteen palomitoitus. Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.2: General rules Structural fi re design. CEN European Committee for Standardization, Brussels 2005. Ota yhteyttä asiakaspalveluumme Myynti ja tekninen tuki puh. 020 59 11 Rautaruukki Oyj www.ruukki.com Tämä ohjelehti on tarkistettu mahdollisimman huolellisesti. Emme kuitenkaan vastaa mahdollisista virheistä tai tietojen väärästä soveltamisesta aiheutuneista välittömistä tai välillisistä vahingoista. Oikeudet muutoksiin pidätetään. Copyright 2008 Rautaruukki Oyj. Kaikki oikeudet pidätetään. Ruukki, More With Metals, Rautaruukki ja Ruukin tuotenimet ovat Rautaruukki Oyj:n tavaramerkkejä tai rekisteröityjä tavaramerkkejä. 12 67582_RUUKKI_FIN.indd 12 15.9.2008 11:28:30