TCTM – Sự lan truyền khói trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn tại các tòa nhà cao tầng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Thí nghiệm mô phỏng dưới đây cho thấy khói di chuyển rất nhanh trong hố thang máy. Trong trường hợp tòa nhà cao 12 tầng, khói có thể lấp đầy hố thang trong vòng chưa đầy 1,5 phút.
Khí độc sinh ra trong các vụ hỏa hoạn kết hợp với nhiệt độ cao và hạn chế tầm nhìn là những yếu tố nguy hiểm có thể gây thương tích nghiêm trọng cho nạn nhân. Tại các tòa nhà cao tầng, nguy cơ thương vong dễ trở nên nghiêm trọng hơn. Một trong những nguyên nhân chính là do hỏa hoạn có thể lan nhanh qua các hố đứng dọc như hố thang máy và khu vực cầu thang do hiệu ứng ống khói.
Để ngăn ngừa những thảm kịch do hít phải khí độc trong các hố đứng dọc, cần tiến hành nghiên cứu nghiêm túc để hạn chế tối đa sự di chuyển của khói hỏa hoạn vào những khu vực này.
Ai cũng biết rằng thời gian thoát hiểm tốt nhất là trong giai đoạn đầu của hỏa hoạn. Việc ngăn chặn khói hỏa hoạn di chuyển vào các hố đứng dọc, chúng ta có thể giúp mọi người có thêm thời gian để thoát nạn an toàn và tránh khỏi những thương tích nghiêm trọng.
Hình ảnh vụ cháy tại tòa nhà cao tầng Grenfell ở London xảy ra năm 2017
Trong nghiên cứu này, khi xây dựng mô hình phân tích cho thang máy và sảnh thang, nhóm nghiên cứu xem xét đến 6 yếu tố: lan tỏa khói, tốc độ giải phóng nhiệt (heat release rate – HRR), tác động gió, áp suất cung cấp khí, hiệu ứng ống khói và hiệu ứng piston.
Để phân tích di chuyển khói trong thang máy và tiền sảnh, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một số giả định như sau:
1. Hỏa hoạn chỉ xảy ra tại một phòng và các vật liệu dễ cháy được đặt cố định.
2. Không xét đến chuyển động của không khí do hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (Heating Ventilating and Air Conditioning – HVAC) tạo ra.
3. Nhiệt độ môi trường xung quanh là 25°C, độ ẩm tương đối của không khí xung quanh là 50%. Nhiệt độ trong nhà ban đầu bằng nhiệt độ môi trường xung quanh.
4. Tốc độ gió xung quanh là 0 m/s; áp suất xung quanh là 1 atm (1 atm = 101 325 Pa).
5. Không khí trong lành được cung cấp bởi hệ thống quạt thông gió hoặc các thiết bị tương tự và khói trên hiện trường hỏa hoạn được coi như khí lý tưởng.
6. Vật liệu sử dụng trong hố thang không cháy.
7. Sự khác biệt giữa nhiệt dung riêng của không khí và nhiệt dung riêng của khói rất nhỏ.
8. Công suất nguồn lửa là 1 MW.
9. Thang máy nằm ở tầng 11 của tòa nhà.
Tòa nhà trong mô phỏng hỏa hoạn gồm 12 tầng. Hình 1 và Hình 2 thể hiện mô hình của hố thang máy và cầu thang. Kích thước của phòng cầu thang là 3,8 m × 3,4 m × 3 m, hố thang máy là 2,2 m × 2,4 m × 33 m, cabin thang máy là 1,8 m × 1,4 m × 3 m, phòng thông gió là 1,2 m × 1,6 m × 36 m, và phòng thông gió tại cầu thang là 0,8 m × 1,6 m × 36 m.
Khi hỏa hoạn xảy ra tại tiền sảnh tầng 2, nguồn nhiệt cháy tập trung ở một góc. Hỏa hoạn lan truyền theo cấp số nhân của thời gian và công suất nhiệt tối đa đạt 4 MW. Hình 3 cho thấy sự lan truyền khói trong hố thang máy và tiền sảnh. Chỉ sau khoảng 100 giây kể từ khi bắt đầu hỏa hoạn, trục thang máy đã đầy khói mịt mù. Tầm nhìn trong thang máy rất thấp, khiến việc thoát nạn trở nên vô cùng khó khăn.
Hình 4 thể hiện phân bố nhiệt độ trong hố thang máy và khu vực tiền sảnh. Chỉ sau 100 giây sau khi hỏa hoạn bắt đầu, nhiệt độ trong hố thang máy đã vượt quá 88°C ở mọi vị trí. Và nhiệt độ trong trục thang máy gần nguồn lửa đạt trên 155◦C sau 30 giây. Chỉ sau 300 giây, toàn bộ hố thang máy đã ngập trong nhiệt độ trên 187°C. Nhiệt độ khủng khiếp này có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho bất kỳ ai có mặt trong khu vực.
Sự lan truyền nhiệt trong phòng cầu thang chậm hơn đáng kể so với trong hố thang máy. Mặc dù tốc độ lan truyền nhiệt thấp hơn, điều này vẫn gây hại nghiêm trọng cho những người di chuyển vào phòng cầu thang đầy khói. Nhiệt độ cao có thể khiến họ bị chóng mặt, thậm chí là ngất xỉu, gây nguy hiểm nghiêm trọng cho tính mạng.
Hình 5 thể hiện phân bố nồng độ CO (Carbon monoxide – một loại khí độc thường sinh ra từ hỏa hoạn) trong hố thang máy và tiền sảnh. Sau khi hỏa hoạn bắt đầu, khói xâm nhập hố thang qua khe cửa và dần dần lan lên trên.
Với phòng cầu thang bộ, do bị ảnh hưởng bởi dầm cầu thang, khói không lan nhanh, dẫn đến tập trung chủ yếu ở cầu thang tầng hai. Khi đến đỉnh cầu thang và gặp vật cản, một lượng nhỏ khói tiếp tục đi lên, phần còn lại chuyển hướng xuống dưới. Điều này khiến nồng độ CO ngay phía dưới sàn dầm cầu thang tương đối cao hơn.
Nhìn vào Hình 6 phân bố áp suất khói trong hố thang máy cho thấy áp suất tăng dần theo chiều cao của thang máy. Càng lên cao, áp suất trong hố thang máy càng tăng lên. Ngược lại, áp suất trong hố thang máy và sảnh thang phía dưới tầng hỏa hoạn đều âm do hiệu ứng ống khói.
Do áp suất trong hố thang máy cao hơn hẳn so với sảnh thang, khói di chuyển nhanh hơn trong hố thang, kéo theo lượng khói lớn hơn. Nếu lượng khói thoát ra từ đỉnh hố thang ít hơn lượng khói vào, hiện tượng tích tụ khói sẽ xảy ra. Một phần khói sẽ bị đẩy ngược xuống sảnh thang, cabin thang máy hoặc tiền sảnh, làm tăng nồng độ khói ở những khu vực này.
Hình 7 thể hiện phân bố tốc độ di chuyển của khói trong hố thang máy. Dựa trên kết quả mô phỏng, chỉ khoảng 68 giây sau khi hỏa hoạn bắt đầu, tốc độ di chuyển khói trong hố thang đã vượt quá 0,85 m/s. Đặc biệt, khu vực gần phòng cháy và đỉnh hố thang, tốc độ khói có thể đạt tới hơn 2,1 m/s chỉ trong khoảng 100 giây.
Bên cạnh đó, tốc độ di chuyển khói gần vách bên phải của hố thang máy luôn cao hơn đáng kể so với phía bên còn lại. Sau khoảng 5 phút, tốc độ khói gần vách bên phải thậm chí cao tới hơn 3,3 m/s. Điều này cho thấy trong hỏa hoạn ở tòa nhà cao tầng, khói di chuyển rất nhanh chóng và nguy hiểm.
Trong hỏa hoạn ở tòa nhà cao tầng, hệ thống thông gió đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến sự lan truyền khói, do tác động đến tốc độ di chuyển của khói. Với hệ thống thông gió đủ mạnh, áp suất bên ngoài cabin thang máy sẽ tăng cao đáng kể. Điều này khiến khói xâm nhập vào cabin qua khe cửa và tốc độ dòng khói đi vào cabin phụ thuộc vào tốc độ thông gió. Khi tốc độ thông gió thay đổi, chênh lệch áp suất giữa trong và ngoài cabin cũng thay đổi.
Bảng 1 cho thấy tỷ lệ rò rỉ ở các vị trí khác nhau trong tòa nhà trong mô phỏng, và Hình 8 và 9 thể hiện tốc độ di chuyển của khói bên ngoài và bên trong cabin thang máy ở các mức thông gió khác nhau.
Như Hình 8 và 9 thể hiện, khi tốc độ thông gió thấp, chỉ một lượng nhỏ khói từ một phần khe cửa lọt vào cabin. Ngược lại, khi tốc độ thông gió đủ cao, khói hoàn toàn không thể xâm nhập vào cabin.
Bảng 2 liệt kê chênh lệch áp suất giữa hai bên cửa hố thang ở các tầng khác nhau với các tốc độ thông gió khác nhau. Khi hỏa hoạn xảy ra tại tầng 2, chênh lệch áp suất giữa hai bên cửa hố thang ở tầng 2 cao hơn các tầng khác đáng kể. Điều này cho thấy áp suất bên ngoài cửa hố thang rất cao, áp suất cao này sẽ dồn đẩy khói vào cabin, khiến cabin ở tầng xảy ra hỏa hoạn trở nên nguy hiểm nhất.
Trong điều kiện thoát khói tự nhiên, Hình 10 và 11 thể hiện áp suất và lưu lượng khói tại cửa thoát. Nó cho thấy, áp suất khói tăng lên khi tốc độ dòng thông gió tăng lên. Điều này sẽ khiến nhiều khói hơn được hút ra khỏi cửa thoát, đồng thời lưu lượng khói tại cửa thoát cũng tăng lên.
Hình 12 thể hiện tốc độ di chuyển của khói ra khỏi cửa cabin và Hình 13 thể hiện nhiệt độ trung bình trong cabin. Từ Hình 12 và 13, chúng ta thấy rằng tốc độ di chuyển khói bên ngoài cabin thang máy tăng lên theo lưu lượng thông gió. Điều này khiến nhiều không khí trong lành hơn di chuyển vào hố thang và cabin thang máy từ hệ thống thông gió. Nhiệt độ trung bình giảm khi lưu lượng thông gió tăng và tốc độ di chuyển khói thay đổi tuyến tính với lưu lượng thông gió.
Tổng kết:
(1) Trong hỏa hoạn ở tòa nhà cao tầng, khói di chuyển trong hố thang máy rất nhanh. Đối với hỏa hoạn 12 tầng, thời gian khói đầy hố thang máy chỉ dưới 1,5 phút sau khi hỏa bắt đầu tại phòng đối diện thang máy.
(2) Với hệ thống thông gió, tầng xảy ra hỏa hoạn có chênh lệch áp suất giữa hai bên cửa thang máy cao nhất, các tầng khác chênh lệch áp suất rất nhỏ.
(3) Tốc độ lan truyền khói trong hố thang máy nhanh hơn so với khu vực gần tầng hỏa hoạn và cửa thoát khói.
(4) Chỉ sau 100 giây kể từ khi hỏa hoạn bắt đầu, nhiệt độ trong toàn bộ hố thang máy vượt trên 88°C. Trong đó, khu vực gần nguồn cháy đạt tới 155°C chỉ sau 30 giây. Chỉ sau 300 giây, nhiệt độ khắp hố thang máy đều vượt quá 187°C.
* Biên dịch dựa trên bài viết “Simulation on spread of fire smoke in the elevator shaft for a high-rise building” của chuyên gia Vân Xuân Hạ, khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Kiến Trúc An Huy, đăng tải trên ScienceDirect. Công trình mô phỏng này được hỗ trợ bởi Chương trình nghiên cứu cơ bản quốc gia của Trung Quốc.
