PALOKUOLEMAN EHKÄISYKEINOJEN ARVIOINTI Tuloksia esitutkimuksesta, Teemu Karhula & Simo Hostikka
SISÄLTÖ Taustaa Numeerisia kokeita Riskiruutujen mallitusta PRONTOn louhintaa Yleistä simuloinnista Laaja kirjallisuustutkimus Valmistuneet raportit Huoneistojen kokojakaumat Palokuormien jakaumat Kytevän palon liekkiin leimahtaminen Johtopäätöksiä 2
HANKE Hankkeessa tutkitaan kvantitatiivisesti Suomen palokuolemien torjunnassa käytettävien keinojen tehokkuutta käyttäen 1. paloriskianalyysiä, ja sen työkaluina tulipalojen numeerista simulointia ja Monte Carlo laskentaa, 2. asuntokannan yksityiskohtaista tilastointia sekä 3. numeerisia ja fyysikaalisia syttyvyyskokeita Tekijöinä VTT ja Pelastusopisto konsultin ohjaamana 3
NUMEERISIA KOKEITA JA SIMULOINTIA Topi ja Teemu väitöskirjaansa tekevät diplomiinsinöörit seuraavat palon simuloinnin etenemistä VTT:n laskentapatteriston monitorista. Kuva Joonas Ryynänen 2009. 4
RISKIRUUDUT Syttymistaajuuden mallitus N = A N + B N + C N + D N + E N + F N + G N + H N + J N + K N + L N + M N + N N = i N ij N i= A N A ij = A ijk A = A = n& ij = Riskiruutujen normitus A = i,... k = 1 R j= 1 A j = R A ij j= 1 i= A,..., N = R j ij j= 1 i= A,..., N k = 1 ij i= A,... N '' r f m ( A) = i ca + i c2 N A ijk i A i N ij i= N,..., N k = 1 Yleistetty Barrois n malli Nij N ij k = 1 n& n& j ijk = = ij i= A,..., N k = 1 n& f mijk = A ijk i= A,..., N k = 1 Nij N ij n& ijk R = i= A,..., N k = 1 f mijk n& i = n& RT ij = RTi λ if Aij = RTi λ if ia j= 1 A R j= 1 Henkilöriskin määritelmä MH R = f Ah ijk s N A ijk 5
PRONTO Palokuoleman riski Palokuolleita vuodessa miljoonaa asukasta kohden 50 40 30 20 10 0 2007-08 I II III IV I-III Riskialue 0,87 milj. henkeä, 17% väestöstä, riskialueella IV 45 ± 5 riski 3,4 ± 0,7 -kertainen 13 ± 1 Palokuolemien määrät julkaisusta: Kokki ym, Pelastuslaitoksen tutkimat palokuolemat 2007, Pelastusopiston julkaisu, tutkimusraportit 1/2008, 92 s. 6
SIMULOINTI JA NUMEERISET KOKEET Kemian reaktiovaikioiden määritystä Vakioiden määritys differentiaalikalorimetri- ja termogravimetrikokeista Osittaisdifferentiaaliyhtälöt yksinkertaistetaan differentiaaliyhtälöryhmäksi Ratkaistaan geneettisillä algoritmeilla dm f dt dmc dt dm dt & & dm β = & ω p ωo = ν β, pω p ω pβ ωoβ & dt = ν c, pβ ω pβ + ν c, oωo + ν c, oβ = & & & ω & ω β & c ( ν β, p 1) ω p + ( ν c, pβ 1) ω pβ + ( ν c, o 1) ωo + ( ν c, oβ 1) ωoβ + ( ν r, c Ei/ RT ni δ ωi = Ai e mi yo 2 & & & & & 1) & ω c m (0) = 1 f m (0) = m (0) = m (0) = 0 β T(0) = T 0 c r Rein ym., Combustion and Flame 146 (2006) 95 108 7
Palon etenemisen ja poistumisen simulointia Navierin ja Stokesin yhtälö Suurten pyörteiden menetelmä FDS + Smokeview NIST Helbingin paniikkimalli + Evac Palon etenemisen ja henkilöiden liikkumisen vuorovaikutteinen simulointi VTT 8
Monte Carlo simulointia Huonepaloissa tyypillisesti 1000 satunnaista sytyttämistä Palokuolemissa satunnaisesti tarvittaisiin huomattavasti enemmän Siksi prosessia nopeutettava kaikin keinoin Uhrit luokiteltavissa erilaisiin tyyppeihin Niissä kuolemaan johtava prosessi erilainen Jotkut ryhmät laskettavissa ilman simulointia Laskenta katkaistaan heti kun se osoittautuu vaarattomaksi Lähtöarvoja suunnataan hallitusti suurten riskien ryhmään Osakokonaisuuksia testattu Koko simulointiketjua ei ole vielä laadittu eikä kokoeiltu 9
KIRJALLISUUSTUTKIMUS I Haku useista tietokannoista Omien muistikuvien mukaan Suunnatusti tutkimuslaitoksista Verkossa ammattialoittain Yleisesti verkossa Google Scholaria käyttäen Kaikki tavat tarpeellisia, Google Scholar läpäisi ammattiklikit Löydetty yhteensä 175 asiaa käsittelevää viitettä, jotka käyty läpi Noin 6000 sivua Kieliä 8 Aikaperspektiivi 344 vuotta 10
KIRJALLISIISTUTKIMUS II Tuloksia Ei löytynyt valmiita suoria esikuvia; tutkimus muotoiltiin VTT:n MC-mallin mukaiseksi Arvokasta aineistoa osatehtäviin Savukkeista Kytemisestä Liekkiin leimahtamisesta Kineettisten parametrien määrittämisestä 11
RAPORTOINTI Valmistuneet O. Keski-Rahkonen, T. Karhula & S. Hostikka, Palokuolemien ehkäisykeinojen tehokkuuden arviointi, julkaisematon tekninen raportti, 134 s. 20.8. 2009; päivitetään koko ajan työn edistyessä. O. Keski-Rahkonen, T. Karhula & S. Hostikka, Palokuolemien ehkäisykeinojen tehokkuuden arviointi esitutkimus, VTT Tiedotteita xxx (2009), 43 s. (julkaistavana). O. Keski-Rahkonen, T. Karhula & S. Hostikka, Palokuoleman ehkäisykeinojen arviointiohjelma tuloksia esitutkimuksesta, Pelastustieto 60, nro 6 (2009), 28 33. O. Keski-Rahkonen, T. Karhula & S. Hostikka, Palokuormien jakaumat palokuoleman ehkäisykeinojen arviointiohjelmassa, Pelastustieto 60, (2009), palontorjuntatekniikka-erikoisnumero - Palotutkimuksen päivät 2009, 108 114. 12
ASUNTOJEN TIEDOT Tietojenkeruulomake I Rakennus Jos asunto on osa suurempaa rakennusta, anna seuraavat tiedot Jos rakennus on suuri, arvioi tiedot mittaamalla sopivia paikkoa ulkopuolelta. Yleistiedot Rakennuksen tyyppi kerrostalo kerrostalo, rivitalo, ketjutalo, omakotitalo, muu (selitä) Kerrosten lukumäärä 5 Sijaintikerros 2 Huoneistojen määrä rakennuksessa yksiöitä 4 kaksioita 14 kolmioita 20 4h+k 8 jne Koko rakennuksen kerrosala (km2) Naapurihuoneistojen tyyppi ja kerrosala (km2) Anna tiedot kaikista naapuriasunnoista, joita erottaa vain yksi rakennusosa tarkasteltavasta kohteesta Taso N1 1+k 42 sama N2 2+k 68 sama N3 4+k 109 yläp N4 4+k 109 alap N5 N6 Portaassa kerroksia Rajoittuvat porraskäytävät Ala (km2) yläp. alap. Hissi P1 40 3 1 on P2 Kantavan rakenteen materiaali betoni Etäisyys lähimmästä paloasemasta (km) 3,2 Kaavio naapurihuoneistojen sijoittumisesta 1. Samassa kerroksessa Yhteisen erottavan rakenteen ala (m2) N1 15 As N2 20 N3 N1 N3 15 P1 5 P1 N2 2. Alapuolisessa kerroksessa Yhteisen erottavan rakenteen ala (m2) Asunnon sijainti punaisella katkoviivalla N4 15 Asunto Paikkakunta Halvila Piirrä x-koordinaatti jonkun seinän suuntaiseksi Hahmottele pohjakuva oheisen mallin mukaiseksi y H1 I1 Piirustuksen ei tarvitse olla mittakaavainen I1 Jos todellinen pohjakuva on saatavissa helposti, käytä sitä O1 H2 O8 Merkitse kuitenkin tässä kuvassa esitetyt symbolit siihen ja anna tiedot alla taulukossa Ilmansuunta O4 Jos asunnosta on saatavissa tasopiirustukset, ota niistä sähköiset kopiot ja liitä kuvina tämän sivun alareunaan likimain nuolella I2 H3 I5 O2 O5 O6 I3 H4 - karkea huoneiston pohjakuva mittoineen, huoneiden korkeudet, aukkojen sijainti ja mitat (leve - asunnossa olevien henkilöiden määrä, ikä, sukupuoli, sekä tupakointi Huoneet Huoneen Näissä oletusarvo on ei Tilassa Huoneen Mitat (m) Korkeus (m Pintakerrokset mahdollinenpalovaroitin Sammutin Muu avotulen käyttö x y z lattia seinät katto nimikkokäyttö paloturvallismahdollisuus H1 mh 4,1 2,9 2,6 parketti tapetti rapattu k H2 oh 5,8 4,0 3,2 parketti tapetti rapattu takka H3 kk 2,5 3,0 2,6 parketti maalattu rapattu k kaasuhella H4 kh 2,0 2,8 2,6 kaakeli kaakeli rapattu H5 th 4,0 4,0 2,6 parketti tapetti rapattu th He1 sammutuspeite H6 av. parveke 4,0 1,0 2,6 betoni rapattu rapattu grilli H7 las. parveke4,0 1,3 2,6 bet+linol. rapattu rapattu tuhkasäiliö H8 autotalli 4,1 5,8 2,6 betoni lujalevy betoni jauhesammhitsauslaite H9 H10 H11 Henkilöt tiedot huoneistossa asuvista henkilöistä sukupuoli ikä tupakointi He1 n 40 säännöll. He2 m 38 joskus He3 m 16 ei tietoa He4 n 1 ei He5 He6 O3 A1 I4 H5 O7 I6 x N4 Tähän alapuolelle mahdollinen sähköinen piirustus asunnosta P1 3. Yläpuolisessa kerroksessa Yhteisen erottavan rakenteen ala (m2) N6 N5 N5 15 N6 20 P1 13
Tietojenkeruulomake II Asunnon aukot väliseinissä ja ulkotilaan Oletusasento: normaalisti auki (NA), normaalisti suljettu (NS), satunnainen (S), muu (selitä) Aukko auki (valitse kolme tyypillisesti erilaista vuorokaudenaikaa Merkitse aukiolo likimääräisenä avautumiskulmana asteina, suljettu = 0o) Kerää tieto kolmen vuorokauden ajalta. Ilmoita keräysajankohta minuutin tarkkuudella. Oletus- Päivä 1 4.12.2003 Päivä 2 Päivä 3 Aukon Kynnys Korkeus Leveys lattiasta asento Aika 1 Aika 2 Aika 3 Aika 1 Aika 2 Aika 3 Aika 1 Aika 2 Aika 3 mm mm mm 8:00 14:00 22:00 Ovet O1 O2 O3 2100 900 9 NA 0 90 45 O4 O5 O6 O7 O8 O9 O10 O11 Valoaukon Kynnys Oletus- Ikkunan Korkeus Leveys lattiasta asento tyyppi Ikkunat mm mm mm I1 Ikkunan tyyppi r1 yksinkertainen I2 1200 3000 900 NS 0 90 45 r2 I3 r2 kaksinkertainen I4 r3 kolminkertainen I5 u2+r1 umpio (kaksi ruutua) + y I6 m muu, selitä tarkemmin I7 I8 I9 Muut Korkeus Leveys lattiasta auko mm mm mm Selitä aukon tyyppi ja merkitys tarkemmin, esim. tuuletusluukku, mieslu A1 2000 4000 800 Lasitetun parvekkeen etuseinä NS 200 mm 400 mm 0 mm A2 Tilojen palokuormat Luettele palokuormat huoneittain yksilöiden suurimmat yksittäiset kohteet Kiinteä palokuorma Kaikki tilassa kiinteästi olevat rakenteet Arvioi kiinteä palokuorma ensimmäiseen palamattomaan osastoivaan rakenteeseen saakka Lattia Palamis- Katto Palamis- Seinät Materiaali Ala Massa lämpö PalokuormaMateriaali Ala Massa lämpö PalokuormaMateriaali Ala Massa lämpö Palokuorma m2 kg MJ/kg MJ m2 kg MJ/kg MJ m2 kg MJ/kg MJ H1 parketti 11,9 59,5 15,0 892 betoni 11,9 0,0 0 tap+kipsil. 32,9 39,5 15,0 592 H2 parketti 23,2 116,0 15,0 1 740 betoni 23,2 0,0 0 tap+kipsil. 59,7 71,7 15,0 1 075 H3 parketti 7,5 37,5 15,0 563 betoni 7,5 0,0 0 maalattu 28,6 likimain 0 0,0 0 H4 kaakeli 5,6 0,0 0 betoni 5,6 0,0 0 kaakeli 25,0 0 0,0 0 H5 parketti 16,0 80,0 15,0 1 200 betoni 16,0 0,0 0 tap+kipsil. 36,6 43,9 15,0 659 H6 H7 H8 Irtain palokuorma Sähkökäyttö Esine Mitat (m) Materiaali Massa PalamislämPalokuormaverkossa paristokäyttöinen Pituus Leveys Korkeus kg MJ/kg MJ H1 Sänky 2,1 1,6 0,6 Puu 32,0 15,0 480 ei ei H1 Patjat 2,1 1,6 0,3 PU 50,4 16,0 806 ei ei H1 Petivaatteet Kangas 3,0 17,0 51 ei ei H1 Tuoli puu 5 15,0 75 ei ei H1 Radio 0,7 kyllä H1 H1 H1 H2 Sohva H2 Kirjahylly H2 Kirjat paperi 30 15 H2 TV kyllä H2 Nojatuoli H2 H2 H3 liesi kyllä H3 JKP kyllä H3 työtaso H4 pesukone H4 hylly H4 vaatteet 14
Asuntokuntien ja huonemäärien jakaumat 0,5 0,5 0,4 0,4 Kertymä 0,3 0,2 Kertymä 0,3 0,2 0,1 0,1 a 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Asuntokunta henkilöä b 0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 Huoneiden lukumäärä Sininen viiva: valtakunnallinen jakauma Tilasotokeskuksen tietokannasta 2007 Punaiset pisteet virhejanoineen: näytteen tulokset 15
Talotyyppien osuudet 80 Tilastokeskus PO näyte N = 67 60 Osuus (%) 40 20 0 Erillinen pientalo Rivi- tai ketjutalo Asuinkerrostalo 16
Huoneiden pinta-alat 1,0 1,0 0,8 0,8 0,6 0,6 Kertymä 0,4 0,2 MH OH K So MH So OH So K Kertymä 0,4 0,2 WC PE SA So WC So PE So SA 0,0 0 10 20 30 40 50 0,0 0 5 10 15 20 25 Ala (m 2 ) Ala (m 2 ) F( x;μ,σ ) f ( x; μ, σ ) = 1 exp 2πσ 1 2 2 ln( x) μ σ 17
Huoneistojen pinta-alat 1,0 1,0 0,8 0,8 Kertymä 0,6 0,4 Kertymä 0,6 0,4 MH OH K So MH 0,2 0,2 So OH So K a 0,0 0 50 100 150 200 Ala (m 2 ) b 0,0 0 10 20 30 40 50 Ala (m 2 ) 18
19 Huoneiden korkeuden jakauma 0 1 2 3 4 5 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Korkeus (m) Lukumäärä = 2 2 1 exp 2 1 ), ; ( σ μ πσ σ μ x x f
Palokuormien tiheys huoneittain 1,0 Irtaimisto 1,0 Palokuorma yhteensä 0,8 0,8 Kertymä 0,6 0,4 Kertymä 0,6 0,4 0,2 0,2 a 0,0 0,1 1 10 100 1000 10000 Palokuorman tiheys [MJ/m 2 ] b 0,0 0,1 1 10 100 1000 10000 Palokuorman tiheys [MJ/m 2 ] F ( x; μ, σ ) = cf ( x; μ, σ ) + (1 c) F ( x; μ σ ) 1 1 1 2 2, 2 20
Palokuorman tiheys huoneistoittain 1,0 0,8 Kertymä 0,6 0,4 0,2 0,0 10 100 1000 Palokuorman tiheys [MJ/m 2 ] 21
KYTEMINEN Yksiulotteisen kytemisen muodot Myötävirtainen pakotettu kyteminen Ilma Palanut aine Palamaton aine Palamaton aine Palanut aine Reaktiovyöhyke Vastavirtainen nostekyteminen Reaktiovyöhyke Myötävirtainen nostekyteminen Ilma Palamaton aine Palanut aine Palanut aine Palamaton aine g (a) Vastavirtainen pakotettu kyteminen (b) Ilma Ilma 22
Liekkiin leimahtaminen Analyyttinen asymptoottinen osittaisdifferentiaaliyhtälöryhmän ratkaisu 3- vaiheisella reaktiolla Aldushin ym., Combustion and Flame 145 (2006) 579-606. Saadaanko liekkiin leimahtaminen näkyviin GPyrosimulointiohjelmalla [Lautenberger & Fernandez-Pello, Generalized pyrolysis model forcombustible solids, Fire Safety Journal 44 (2009), 819-839], kun käytetään mitattuja aineiden reaktioparametreja ja yhtälöitten numeerista ratkaisua? Mitkä reaktiot ovat avaintekijöitä? Kuinka herkkä tulos on reaktiokaavion rakenteelle ja numeroarvojen vaihtelulle? 23
Kytemislämpötila ajan funktiona malli ja kokeet Aldushin ym. malli 24
JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Esitutkimus on valmistunut ja raportoitu Pääohjelma on edennyt suunnitelmien mukaan ja aikataulussa Laaja kirjallisuustutkimus tehty Useita osakokonaisuuksia asiasta on valmistunut Riskiruutuaineisto on mallitettu uudella tavalla ja siitä on laskettavissa tilastoihin perustuva syttymistaajuuden keskiarvo ja hajonta alueellisesti ja riskialueittain. Absoluuttinen palokuolemien määrä saadaan, kun määritetään ehdollinen syttymää seuraava palokuoleman todennäköisyys. IV riskialue on kaikkialla 3 kertaa vaarallisempi kuin muut Alustavat asuntojen huonetilojen ja palokuormien jakaumat määritetty Laaja. Täydentävä huoneistojen tietojen keruuohjelma PO:n opiskelijoille laadittu Huonepalon MC-simulointia palopatsasmallilla kokeiltu Kytemisestä ja liekkiin leimahtamisesta löydetty uudet mallit Numeeriset kytemiskokeet meneillään syttymisprosessin rakenteen ja herkkyyden määrittämiseksi ennen fyysisiä kokeita 25
HYÖDYNTÄMINEN Tulosten avulla viranomaiset voivat laskea nopeasti,millainen panos-tuotos suhde saadaan erilaisilla ehdotetuilla keinoilla vähentää huomattavasti palokuolemia Malli on yleiskäyttöinen moneen muuhunkin pelastusalan ongelmaan, kun vastaavat ilmiön prosessit mallitetaan ja niistä kerätään riittävästi tilastoaineistoa Malli on yhtä hyvin ulotettavissa monille muille aloille vaikuttavuuden kvantitatiivisyyden arviointiin, kun se sovelletaan niiden ongelmien yksityiskohtiin 26