Экономика пожарной безопасности на примере деревянных многоэтажек

Как обеспечивать приемлемый уровень пожарной безопасности, чтобы не переплачивать? Разбираемся, почему автоматические установки пожаротушения и огнезащита не всегда экономически оправданы, и когда расходы действительно дают отдачу. Особенно это актуально, на фоне высокой ключевой ставки и галопирующей инфляции.

В статье представлен перевод фрагмента исследования NFPA, посвящённого практическому кейсу экономического обоснования пожарной безопасности для одного типового объекта — десятиэтажного многоквартирного дома из массивной древесины. На основе методики приведённой чистой стоимости (PNV) показано, как инвестиции в спринклерную систему и пассивные меры защиты соотносятся с предотвращёнными потерями: имущественными, человеческими и косвенными. Материал может быть полезен застройщикам, проектировщикам и собственникам для оценки затрат на пожарную безопасность, как инвестицию.

Многоквартирное жилое здание из древесины: совокупная эффективность автоматического пожаротушения и пассивной противопожарной защиты

В данном примере используется методология прототипа для оценки чистой выгоды от применения автоматических установок пожаротушения (спринклерных систем) и пассивной противопожарной защиты для многоквартирных деревянных домов. Оценка проводится с учетом сочетания статистических данных и численного моделирования. Прототипом здания является десятиэтажное здание из массивной древесины с площадью застройки 909,52 м². Проект здания основан на исследовании, финансируемом Национальным научным фондом США (NSF), и посвящён сейсмостойкости высотных зданий из массивной древесины, разработан компанией KPFF в рамках проекта NHERI-Tallwood Homes.

Несущие клеёные деревянные элементы внутренних каркасов здания защищены облицовкой из гипсокартонных листов. В рамках оценки рассматриваются различные сценарии:

• с установкой или без установки спринклерной системы;
• отсутствие облицовки;
• облицовка одним слоем гипсокартона;
• облицовка двумя слоями гипсокартона.

Исходные данные

Характеристики здания

Таблица 1 – Затраты на строительство, демонтаж и утилизацию

*Для перевода стоимости использовался курс 95 руб/доллар.

Ставка дисконтирования и коэффициент устаревания

Аналогично предыдущим кейсам, для анализа используется ставка дисконтирования в размере 3%, согласно, экономической статистики.

Износ (моральное устаревание) не учитывается — т.е. применяется нулевой коэффициент устаревания (0%).

Затраты на противопожарную защиту и макроэкономический коэффициент затрат

Затраты на пассивную противопожарную защиту из гипсокартона, а также на установку спринклерной системы оценены и включены в анализ затрат и выгод (CBA — Cost–Benefit Analysis). Расчёты выполнены по данным базы RSMeans (Gordian, 2022), и представлены в таблице 2.

При расчёте стоимости спринклерной системы здание отнесено к категории лёгкой пожарной нагрузки. Также учитываются ежегодные эксплуатационные расходы на обслуживание системы в размере 5% от стоимости установки.

Предполагается, что такие эксплуатационные расходы позволяют обеспечить неограниченный срок службы системы при сохранении исходного уровня эффективности. В то же время гипсокартонные плиты, не требуют обслуживания, и, соответственно, затраты на их обслуживание не учитываются в анализе.

Таблица 2 — Стоимость противопожарной защиты

Польза от противопожарной защиты (параметры пожарного риска)

Параметры пожарного риска, полученные на основе статистических данных, приведены в таблице 3 вместе с соответствующими источниками. Оценка риска гибели и травматизма выполняется на основе подходов VSL и VSI, как описано в предыдущих разделах.

Таблица 3 — Польза от противопожарной защиты (параметры пожарного риска)

Частота пожаров относится к зарегистрированным пожарам при допущении, что все зарегистрированные пожары имеют конструктивное значение, тогда как незарегистрированные пожары считаются приводящими лишь к незначительным потерям. Значения остальных параметров заимствованы из ранее опубликованных исследований.

Средние потери от пожара в значительной степени зависят от возникновения серьёзных конструктивных повреждений несущих элементов. Действительно, такие повреждения приводят к нарушению целостности конструкции и вызывают серьёзные структурные разрушения. Предполагается, что в случаях, когда несущий каркас выдерживает пожар до полного выгорания, потери ограничиваются пределами помещения, в котором возник пожар (т.е. отсеком происхождения пожара). При обрушении несущей конструкции в ходе пожара потери охватывают всё здание.

Численное моделирование для оценки эффекта мер противопожарной защиты

Моделирование пожаров в данной модели здания из массивной древесины проводится с использованием численного моделирования для прогнозирования ожидаемых повреждений в случае пожара. Целью является дополнение статистических данных и анализ влияния вариаций в проектных решениях.

В частности, в данном исследовании рассматривается влияние толщины противопожарной защиты на элементы несущего каркаса.

Модель здания

Численная модель здания создана с использованием программного обеспечения нелинейного конечного элемента SAFIR (Franssen и Gernay, 2017). Здание представляет собой 10-этажную конструкцию (см. рисунок 1). Высота первого этажа составляет 4 м, высота остальных этажей — по 3,4 м каждый. Общая площадь каждого этажа — 90,95 м².

Рисунок 1 – Несущий каркас, проанализированный в составе многоэтажного офисного здания (NHERI-Tallwood Homes)

Здание классифицируется как тип IV-B. Следовательно, согласно требованиям нормативного документа по пожарной безопасности ICC, огнестойкость основных несущих элементов каркаса должна составлять 2 часа. В качестве изоляционного материала для всех конструктивных элементов используются гипсокартонные листы толщиной 5/8 дюйма (1,6 см). Размеры сечений элементов приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Несущие элементы каркаса: размеры сечений

Распределённая постоянная нагрузка на этажах составляет 5,27 кН/м² (110 фунтов на квадратный фут), а временная нагрузка — 3,11 кН/м² (65 фунтов на квадратный фут). Эти значения указаны без коэффициентов запаса.

Для расчёта на нормальную температуру по нагрузочным сочетаниям ASCE суммарная распределённая нагрузка составляет 11,3 кН/м².

В случае пожара на балки воздействует равномерно распределённая нагрузка, которая равна (1,0 × 5,27 + 0,2 × 3,11) = 5,89 кН/м². Умножая на ширину влияния 3,5 м, получаем нагрузку на балки 20,6 кН/м.

Вероятностные входные данные модели

Для учёта влияния неопределённостей ключевые параметры модели рассматриваются как вероятностные, включая нагрузку на горючие материалы и коэффициент открытых проёмов в отсеке. Для нагрузки на горючие материалы используется вероятностное распределение по Еврокоду EN1991-1-2 для жилых зданий. Это распределение Гумбеля со средним значением 780 МДж/м² и 80-процентным квантилем 948 МДж/м². Стоит обратить внимание, что вклад конструкции из древесины в нагрузку на горючее не учитывается. Для коэффициента открытых проёмов распределение рассчитывается по формуле, предоставленной JCSS.

Структура сначала нагружается при нормальной температуре для определения предельного значения равномерно распределённой нагрузки на балки. Предельная нагрузка составляет 36,28 кН/м. Следовательно, ожидаемая нагрузка в условиях пожара равна 20,6 / 36,28 = 57% от несущей способности при нормальной температуре.

Далее оценивается структурный отклик при пожаре. Моделируются только сценарии пожаров в одном отсеке, так как они значительно чаще многокомнатных пожаров. В качестве представительного рассматривается один отсек, так как размеры, нагрузка на горючие материалы и уровень нагрузки схожи для всех отсеков здания.

Моделируемый сценарий — неконтролируемый пожар в отсеке второго этажа (см. рисунок 2). Структурная модель сосредоточена на элементах несущего каркаса и анализирует десятиэтажную конструкцию.

Рисунок 2 – Численная модель каркасной конструкции из массива дерева с пожаром в одном из отсеков второго этажа

Для каждого варианта конструкции (т. е. количества слоёв гипсокартона) и каждого распределения нагрузки на горючее выполнено 50 имитационных прогонов. Пожарные кривые оцениваются с использованием параметрической модели пожара по Еврокоду EN1991-1-2. Полученные пожарные кривые после 50 прогонов с случайными значениями нагрузки на горючее и коэффициентов открытых проёмов приведены на рисунке 3.

Результаты приведены в таблице 5. Обрушение считается произошедшим, если при моделировании не удаётся найти равновесие под действием нагрузки и воздействия пожара — моделирование пожара проводится до полного выгорания. Подтверждается, что такие случаи отсутствия числовой сходимости соответствуют обрушению каркаса. Обрушение колонн на втором этаже из-за повреждений от пожара приводит к разрушению здания.

Вероятность отказа вычисляется как отношение количества неудачных симуляций к общему числу выполненных (50). Как и ожидалось, вероятность отказа снижается с увеличением числа слоёв гипсокартона.

Если каркас не защищён, вероятность отказа составляет 24%. При защите одним слоем гипсокартона типа X толщиной 1/2 дюйма вероятность отказа снижается до 2%, а при защите двумя слоями — до 0%.

Рисунок 3 – Кривые зависимости температуры газа от времени, использованные в моделировании здания, основанные на распределении тепловой нагрузки для жилых помещений

Таблица 5 – Вероятность обрушения каркаса из массивной древесины при воздействии пожара. Значения получены методом Монте-Карло на основе 50 прогонов нелинейной модели конечных элементов в SAFIR

Оценка пожарного риска для проектных альтернатив

Определение сценария

Снижение риска — это чистая выгода, получаемая от систем пожарной безопасности. Это снижение риска оценивается путем сравнения уровня риска для здания без защиты и здания с мерами пожарной защиты (спринклерами, огнезащитным покрытием или их комбинацией).

На рисунке 4 показано дерево событий для данного исследования. Для каждого варианта конструкции дерево событий определяет три сценария:

• (i) подавление пожара спринклерами,
• (ii) «отсутствие конструктивного разрушения»,
• (iii) «конструктивное разрушение».

Вероятности двух ветвей под «Не подавлено спринклерами» получены из численных моделей, как описано в предыдущем разделе. Последствия для каждого сценария оцениваются на основе статистических данных.

Следующий раздел подробно описывает расчет вероятностей и последствий для каждого варианта конструкции и сценария.

Рисунок 4 – Дерево событий, определяющее сценарии для данного исследования

Оценка вероятности конструктивного обрушения

Для моделирования возможных исходов пожара с точки зрения конструктивного обрушения используется численная модель, описанная в предыдущем разделе.

Оценка последствий для сценария «тушение спринклерами»

Для сценария «тушение спринклерами» учитываются показатели смертности и травматизма среди гражданских лиц и пожарных (как на месте пожара, так и при реагировании), травмы среди гражданских снижаются на 57%, в то время как показатель смертности считается практически равным нулю. Аналогично, случаи смертности и травм пожарных на месте пожара практически сводятся к нулю, тогда как показатели смертности и травматизма пожарных при реагировании не изменяются.

Средняя площадь повреждений при успешном подавлении пожара спринклерами составляет 4,92 м², как указано в таблице 3.

Оценка последствий для сценария «без тушения спринклерами, без конструктивного отказа»

В случае «без конструктивного отказа» конструкция способна выдержать полный прогар пожара. Предполагается, что стратегия огнезащитного покрытия успешна, и огонь не повреждает несущие элементы. Также предполагается, что огонь не распространяется за пределы отсека возгорания, площадь которого составляет 23,8 м² (см. таблицу 3). Таким образом, средняя площадь повреждений принимается равной площади отсека. Травмы и смертность среди гражданских и пожарных оцениваются на основании статистики по пожарам в США, приведённой в таблице 3.

Оценка последствий для сценария «без тушения спринклерами, с конструктивным отказом»

В случае конструктивного отказа основных несущих элементов последствия, как правило, значительно серьезнее, как с точки зрения ожидаемых потерь, так и количества жертв. Нет детальной статистики по потерям при крупных конструктивных разрушениях несущей системы. Для упрощения здесь предполагается, что происходит обрушение всего здания, поскольку отказ колонны на низком этаже, скорее всего, приведёт к обрушению здания. Оценки жертв среди гражданских и пожарных основаны на ранее собранной статистике, приведённой в таблице 3. Это позволяет провести первичную оценку, предполагая, что конструктивный отказ происходит после завершения эвакуации и спасательных операций.

Оценка чистой приведённой стоимости (PNV)

Оценка PNV проводится с использованием методологии прототипа. Подробный пошаговый расчёт доступен в реализации JupyterLab. Учитывая указанные выше входные данные, общая инвестиционная стоимость PNV (включая обслуживание и моральный износ) для различных вариантов проектирования (только система спринклеров, только огнезащитное покрытие и их комбинация) приведена в таблице 6. Инвестиции рекомендуются для тех случаев, где выгоды превышают затраты, то есть при положительном значении PNV, в противном случае инвестиции в систему безопасности не рекомендуются.

Таблица 6 – Показатели затрат и выгод для данного исследования

Из таблицы 6 видно, что отрицательное значение чистой приведённой стоимости системы спринклеров делает её неприменимой для использования в подобных зданиях. Аналогично, отрицательное значение PNV огнезащитного покрытия также не рекомендует его к применению в этом типе зданий. Кроме того, комбинация системы спринклеров и огнезащитного покрытия из гипсокартона также не рекомендуется, так как затраты на установку превышают получаемые выгоды.

Эта оценка PNV завершает демонстрацию методологии прототипа.

Исследование параметра PNV

Проведено ограниченное исследование параметров путём изменения коэффициента косвенных затрат и количества слоёв огнезащитного покрытия. Результаты визуализированы на рисунке 5. Из полученных данных можно сделать вывод, что с увеличением косвенных затрат от пожаров в зданиях возрастает ценность наличия слоёв огнезащитного покрытия. В дополнение к предыдущим выводам, один слой огнезащитного покрытия экономически оправдан при относительно высоких косвенных затратах. Однако, даже при росте косвенных затрат до 100% от прямых затрат, использование двух слоёв остаётся экономически нецелесообразным. Аналогичная ситуация наблюдается и с системой спринклеров. Несмотря на то, что ценность установки спринклеров растёт с увеличением косвенных затрат, она всё равно не покрывает затраты, и чистая стоимость остаётся отрицательной, что делает использование системы спринклеров или их комбинации с огнезащитным покрытием экономически неоправданным для данного типа конструкции.

Эти наблюдения подчёркивают важность определения косвенных затрат при оценке жизнеспособности систем защиты, а также необходимость точной характеристики этих косвенных затрат в анализе затрат и выгод.

Рисунок 5 – Исследование параметров

Заключение

В данной заметке рассмотрена первая часть исследования NFPA в части экономического обоснования затрат на обеспечение пожарной безопасности. В первой части рассмотрен пример применения экономического обоснования затрат. В дальнейшем планируется перевод второй части исследования, в которой рассмотрена методика, описывающая принципы экономического обоснования затрат.