Powstanie oraz rozprzestrzenianie się pożaru

Pożar zdefiniowany został jako niekontrolowany proces spalania, któremu towarzyszy wydzielenie się dymu, energii oraz światła.
Teoria pożaru opiera się na trójkącie spalania lub, wykorzystując bardziej zaawansowaną teorię, czworokącie spalania. Trójkąt spalania mówi o trzech elementach wymaganych do powstania pożaru – energii, utleniaczu oraz materiale palnym. W przypadku czworokąta spalania, dodatkowym czwartym czynnikiem są łańcuchowe reakcji chemiczne1.

3-10r.jpg

Rys. 10. Czworokąt spalania;
źródło: „Fundamentals of Fire Fighter Skills” – National Fire Protection Association.


Z praktycznego punktu widzenia w rozważaniach taktycznych nie przedstawiony zostanie fizykochemiczny aspekt procesu spalania, a jedynie wiedza potrzebna do zrozumienia, w jaki sposób pożar rozprzestrzenia się oraz jakie niesie ze sobą konsekwencje.
W trójkącie spalania obecne musi być paliwo – materiał który może ulec spalaniu. Drugi czynnik potrzebny to utleniacz w odpowiedniej ilości. Trzecim niezbędnym czynnikiem jest energia cieplna – potrzebna do zainicjowania i podtrzymania reakcji pomiędzy tlenem i materiałem palnym. Energia cieplna podnosi temperaturę tlenu i paliwa do temperatury, w której te dwa czynniki mogą przereagować. Po zainicjowaniu proces spalania uwalnia do otoczenia energię cieplną, która zwykle jest wystarczająca do podtrzymania reakcji spalania. Jeśli nic nie przerwie procesu spalania, tlen oraz materiał palny będą ciągle ulegały spaleniu, aż do momentu wyczerpania się któregoś z nich.
Działania gaśnicze to usunięcie jednego lub kilku elementów trójkąta spalania. Przerwać proces spalania można na wiele sposobów. Metody te można jednak zakwalifikować do trzech grup:
  • ochłodzenie strefy spalania;
  • odcięcie dopływu tlenu do pożaru;
  • zabranie materiału palnego.

Najbardziej powszechną metodą używaną do gaszenia pożarów jest ochłodzenie strefy spalania palącego się materiału przy użyciu wody. Woda, ogrzewając się do temperatury wrzenia, a później przekształcając się w parę wodną, odbiera od pożaru ogromne ilości ciepła. Kolejna metoda to odcięcie dopływu tlenu do pożaru. Przykładem tego sposobu jest umieszczenie pokrywki na patelni zawierającej palące się jedzenie lub pokrycie pianą substancji ropopochodnej – piana wytworzy warstwę ochronna oddzielającą materiał palny (ciecz palną) od powietrza (tlenu). Trzecią metodą jest odebranie materiału palnego. Najprostszym sposobem zgaszenia pożaru gazu palnego jest zamknięcie zaworu doprowadzającego gaz.
W pożarach wewnętrznych zwykle utleniacz oraz materiał palny znajduje się w wystarczającej ilości. Pożar zwykle zaczyna się jako mały i stłumiony w zarodku nie obejmuje swym zasięgiem dużej kubatury. W przypadku późnego wykrycia pożaru, energia wytworzona podczas spalania znacznie wzrasta.
Po spaleniu się pierwotnego materiału palnego pożar rozwija się na nowe przestrzenie, obejmując swym zasięgiem dalsze pomieszczenie oraz budynku.
Istnieją trzy sposoby w jaki pożar może się rozprzestrzeniać – poprzez konwekcję, przewodzenie lub promieniowanie cieplne.
Konwekcja to transport ciepła poprzez dym, podgrzane gazy lub powietrze. W wyniku pożaru powstające gazy są lżejsze od powietrza w wyniku czego przemieszczają się pionowo w górę budynku. Zimne powietrze zajmuje ich miejsce – po pewnym czasie jednak to powietrze jest również ogrzewane, to znaczy przemieszcza się w górę. Proces ten jest ciągły i nazywany jest konwekcją.
Wynikiem konwekcji jest gromadzenie się dymu w górnych partiach pomieszczeń. Łatwo jest więc zauważyć potrzebę wentylacji podczas pożaru w budynkach. Poprzez wentylację można pozbyć się dymu – a co za tym idzie energii cieplnej transportowanej razem z nim poprzez konwekcję.

3-11r.jpg

Rys. 11. Transport ciepła poprzez konwekcję;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


Kolejnym sposobem jest przewodzenie – jest to proces transferu ciepła poprzez ciało stałe. Mimo, iż jest to zwykle najmniej prawdopodobny scenariusz wystąpienia transferu podczas pożaru nie powinien on być lekceważony. Kiedy jeden koniec kawałka metalu zostanie podgrzany, ciepło przemieści się stopniowo do drugiego końca. Transfer energii spowodowany jest zwiększeniem aktywności atomów w materiale. Ciepło przyłożone do jednego końca metalu powoduje, że atomy w tym miejscu zaczynają się szybciej poruszać. Poprzez zderzenia z innymi atomami przekazują im część swojej energii, czyli ciepło. Stopniowo temperatura całego materiału wzrasta. Proces ten nazwany został przewodzeniem.
Energia w procesie przewodzenia może być transportowana przez ściany, belki, rury, podłogę czy też sufit.
3-12r.jpg

Rys. 12. Transport energii w procesie przewodzenia;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


Przewodzenie jest szczególnie niebezpieczne w budynkach zawierających konstrukcje stalowe. Wzrost temperatury tych elementów, spowodowany transportem energii cieplnej przez te elementy obniża ich wytrzymałość, co może doprowadzić do zawalenia się części lub całego budynku.
3-13r.jpg

Rys. 13. Działanie przewodzenia na elementy budowlane;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


W większości przypadków prąd gaśniczy zatrzymuje proces przewodzenia – schładzając materiał woda obniża temperaturę materiału, to znaczy odbiera ciepło ze strefy jego spalania.
Przykładem dobrego przewodnictwa ciepła jest stalowa belka - energia cieplna skierowana na belkę będzie przewodzona wzdłuż belki. Temperatura całej belki wzrośnie, jednak największa temperatura będzie w miejscu działania ciepła2.
Ostatnim sposobem rozprzestrzeniania się pożaru, a jednocześnie głównym czynnikiem przy pożarach, jest promieniowanie – jest to transport ciepła bez użycia materiału – transport następuje w linii prostej i nie zatrzymany rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Przykładem promieniowanie jest promieniowanie słoneczne – słońce wysyła energię cieplną, która rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej dochodząc do Ziemi. Efekty promieniowanie nie są widoczne ani odczuwalne dopóki promieniowanie nie dotrze do materiału. Dlatego promieniowanie powstające przy pożarze dużego budynku może spowodować pożar budynków znajdujących się nawet kilkadziesiąt metrów od niego.
Z punktu widzenia strażaka promieniowanie stwarza największe zagrożenie podczas pożaru – w zamkniętym pomieszczeniu promieniowanie cieplne powoduje szybki wzrost temperatury otaczających obiektów nawet z znacznej odległości od ogniska pożaru.
3-14r.jpg

Rys. 14. Promieniowanie cieplne;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


Zagrożeniem związanym z pożarem jest również wytworzenie dymu. Warto dodać, że w większości pożarów to nie bezpośrednie oddziaływanie ognia było przyczyną śmierci ofiar, ale zatrucia wywołane dymem. Dym jest nośnikiem ciepła oraz energii. W budynkach rozprzestrzenia się pionowo w górę, wykorzystując do tego dostępne drogi komunikacyjne (korytarze, klatki schodowe), przestrzenie między kondygnacyjne, dostępne szpary oraz dziury. Ponieważ dym przenosi również energię może ona dać początek nowemu ognisku pożaru. W momencie dotarcia do poziomej przeszkody (sufitu) dym zaczyna rozprzestrzeniać się poziomo początkowo tylko przy suficie. Wraz ze zwiększeniem się ilości dymu, oraz natrafiając na kolejne przeszkody pionowe (ściany), dym będzie stopniowo przemieszczał się w dół wypełniając kolejne warstwy pomieszczenia. Zjawisko to nazwane zostało efektem grzybka.
3-15r.jpg

Rys. 15. Efekt grzybka w pomieszczeniu;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


Podobne rozprzestrzenianie się dymu następuje w budynku objętym pożarem. Początkowo dym rozprzestrzenia się na kondygnacji objętej pożarem. W pierwszej fazie przemieszcza się pionowo w górę, następnie trafia na sufit, co powoduje jego poziomy transport. Po dotarciu do klatki schodowej, dym przesuwa się do wyższych kondygnacji. Na swojej wędrówce dym ponownie natrafia na poziomą przeszkodę i ponownie przemieszcza się poziomo. Po wypełnieniu dymem całej kondygnacji następuje jego stopniowy transport w dół.
3-16r.jpg

Rys. 16. Rozprzestrzenianie się dymu w budynku;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


Taki sposób rozprzestrzeniania się dymu powoduje, że zagrożone są nie tylko kondygnacje objęte pierwotnie pożarem. Dym spowoduje odcięcie drogi ewakuacyjnej ludziom znajdującym się w pomieszczeniach nad kondygnacją pożaru oraz znacznie utrudni widoczność, a co za tym idzie opóźni ewakuację ludności z budynku.
Bezpośrednimi niebezpieczeństwami spowodowanymi zgromadzeniem się dużych ilości niespalonych, rozgrzanych materiałów palnych w pomieszczeniu są zjawiska rozgorzenia oraz backdraftu.
Zjawisko rozgorzenia zostało zdefiniowane jako nagłe zapalenie się całego materiału palnego w pomieszczeniu lub zamkniętej przestrzeni. Powstaje ono
w pomieszczeniu, w którym rozprzestrzeniający się pożar ogrzał już cały dostępny dookoła materiał. Gorące gazy wyprodukowane podczas pożaru docierają do sufitów, a następnie rozprzestrzeniają się poziomo w stronę otaczających ścian. Gazy te są tak gorące, że energia znajdująca się w dymie przemieszcza się pionowo w dół ogrzewając w ten sposób zawartość pomieszczenia. Energia cieplna ulega także odbiciu od ścian, podłogi oraz sufitu. Zakumulowane ciepło ogrzewa zawartość pomieszczenia, aż do osiągnięcia temperatury samozapalenia. Każdy kolejny zapalający się materiał wytwarza więcej energii cieplnej, dlatego proces ogrzewania pozostałych materiałów palnych w pomieszczeniu zostaje przyspieszony.
3-17r.jpg

Rys. 17. Zjawisko rozgorzenia;
źródło: H. Richman: „Truck Company Fireground Operations. Second Edition” – National Fire Protection Association.


Kolejnym szczególnym zagrożeniem dla strażaków jest zjawisko backdraftu. Zjawisko to można najlepiej opisać jako eksplozję, która następuje
w momencie nagłego dostarczenia tlenu (poprzez otwarcie dachu, okien na poddaszu) do pomieszczenia wypełnionego dymem oraz gazami palnymi.
Istnieje zagrożenie wystąpieniem backdraftu w momencie, gdy pożar się tli lub intensywność pożaru została zredukowana poprzez brak tlenu
w pomieszczeniu. Zwykle warunki, które prowadzą do backdraftu, to pożar
w pomieszczeniu zamkniętym z wyprodukowaniem dużej ilości dymu w tym tlenku węgla. Produkty te wypełniają całe pomieszczenie. Ponieważ pomieszczenie to posiada mało otworów prowadzących na zewnątrz, produkty spalania posiadają ograniczone możliwości wydostania się na zewnątrz oraz dopływ powietrza jest bardzo słaby. Po pewnym czasie pożar zużyje cały dostępny tlen a intensywność spalania znacząco się zmniejsza – pożar przestaje palić się płomieniowo, a jedynie się tli. W pomieszczeniu znajduje się teraz mieszanka gazów palnych ogrzanych do wysokich temperatur i jedynym brakującym elementem trójkąta spalania jest tlen. W momencie dostarczenia tlenu - otwarcie drzwi, okna – nastąpi nagłe wybuch. Zdarza się, że siła wybuchu jest tak duża że uszkadza konstrukcję ścian budynku.
3-18r.jpg

Rys. 18. Zjawisko backdraft;
źródło: „Fundamentals of Fire Fighter Skills” – National Fire Protection Association.

O ile nie zaznaczono inaczej, treść tej strony objęta jest licencją Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 License