Undermarksanläggningar utmaning för både brandskyddsprojektörer och utrymmande människor

Transkript

1 Undermarksanläggningar utmaning för både brandskyddsprojektörer och utrymmande människor Växande storstäder och ett ökat byggande under mark har gjort att undermarksanläggningar för bland annat transportsystem ökat i antal under de senaste decennierna. Tunnelsystem för till exempel väg- och järnvägstunnlar har dessutom inte bara ökat i antal, utan också blivit längre och anlagts allt djupare under mark. Detta skapar nya utmaningar för utrymmande personer och för den projekterande ingenjören som ska dimensionera utrymningssäkerheten i de djupt belägna byggnadsverken. Det rådande kunskapsläget om vad som händer när människor ska utrymma längre sträckor uppåt och hur en projektör ska hantera de nya utmaningarna är dock bristfälliga. Bristen på forskningsresultat och riktlinjer kan äventyra säkerheten, något som uppmärksammats i en nyligen publicerad litteraturstudie om utrymning uppför längre trappor. Förekomsten av undermarksanläggningar för bland annat transportsystem, till exempel väg- och järnvägstunnlar, har under de senaste decennierna ökat, såväl i Sverige som utomlands. Dessutom går trenden mot att bygga både längre och Artikelförfattare är Karl Fridolf, projektledare och doktorand i brandteknik vid Lunds universitet (LTH), Johan Norén, tekniskchef på Briab Brand & Riskingenjörerna AB, samt Mattias Delin, v d på DeBrand Sverige AB. Figur 1: Personer som befinner sig i byggnadsverk under mark ska kunna lämna det eller räddas på annat sätt, precis som i vanliga byggnader ovan mark. djupare tunnelsystem än tidigare. Ett exempel är Hallandsåstunneln som med sina 8,7 km blir den längsta järnvägstunneln i Sverige när den tas i drift kommande år. Ett annat exempel aktualiseras i planerna för utbyggnaden av Stockholms tunnelbana, där den nya sträckningen kan komma att inrymma en av världens djupaste tunnelbanestationer, cirka 100 meter under mark. Trots att byggnadsverk för väg- och järnvägstrafik under mark blir allt vanligare utgör de fortfarande en liten andel i förhållande till de byggnadsverk som anläggs ovan mark. Det innebär bland annat att kunskap om hur värdering av personsäkerhet i undermarksanläggningar ska ske inte är lika omfattande som för vanliga byggnader ovan mark, och att forskningsresultat inom området är relativt litet. Konsekvensen är att kunskap om till exempel hur utrymmande människor beter sig, hur fort de går, och hur långt de orkar gå, i en sådan utrymningssituation, är begränsad. Även om undermarksanläggningar för väg- och järnvägstrafik på många sätt skiljer sig från vanliga byggnader är den grundläggande principen för personsäkerheten vid brand densamma: Personer som befinner sig i byggnadsverket vid brand ska kunna lämna det eller räddas på annat sätt (SFS 2011:338 3 kap. 8 4 p.). Dessvärre innebär avsaknaden av kunskap och empirisk data att osäkerheter i analyser och värderingar av personsäkerheten i transportsystem under mark ofta är större än vid utrymningsdimensioneringen av vanliga byggnader. Dessutom introducerar byggnadsverk under mark en del unika faktorer som måste beaktas i analyser och värderingar av brandskyddet. Till exempel uppstår i många fall utrymningssituationer där utrymmande personer måste förflytta sig långa sträckor för att lämna anläggningen, och inte sällan ingår då långa förflyttningar uppåt via trappor. Men hur påverkas människor vid förflyttningen uppåt och hur kommer gånghastigheterna påverkas av den förflyttade sträckan? Klarar alla människor av att utrymma hur långa sträckor som helst? Om inte, var går gränsen? Och hur ska projektören beakta dessa förutsättningar och effekter på utrymningsförloppen i sina analyser och utvärderingar av personsäkerheten? Ett pågående forskningsprojekt, samfinansierat av Brandforsk och Trafikverket, försöker att öka kunskapen inom området och svara på några av dessa frågeställningar. Inom projektet har det under våren genomförts en litteraturstudie, Delin & Norén (2014), för att kartlägga det nuva- 36 Bygg & teknik 6/14

2 rande kunskapsläget kring fysisk ansträngning och dess påverkan på gånghastigheter, personflöden och beteenden vid utrymning uppför trappor samt hur en trappas design kan påverka utrymningsförloppet vid uppåtgående förflyttning. Litteraturstudien visar att forskningsläget och publicerad litteratur inom ämnet är kraftigt begränsad och i huvudsak handlar tidigare forskning om korta trappor. Den studerade litteraturen har dessutom starka inbördes kopplingar, och merparten av den befintliga forskningen hänvisar till, eller tar utgångspunkt i, forskning som genomförts i Nordamerika i slutet av och början av 1970-talet. Fysisk ansträngning De grunder på vilka utrymningsvägar, och specifikt trappor, traditionellt sett har dimensionerats efter har inte förändrats i någon större utsträckning de senaste 40 åren. Dessutom har den forskning som genomförts i första hand fokuserats på utrymning nerför trappor. Anledningen är naturligtvis den historia som präglat byggandet av höghus och skyskrapor, inte minst i USA, forna Sovjetunionen och en del andra länder, främst i Asien och Oceanien. Utrymning nerför trappor skiljer sig dock från utrymning uppför trappor, framför allt kring hur människor fysiologiskt rör sig. Det finns dessutom starka argument för att möjligheten till en tillfredställande utrymning uppför trappor kommer att påverkas av den fysiska ansträngning som det innebär att gå i trappan, inte minst vid längre transportsträckor. Sannolikt kommer denna påverkan att visa sig inte bara i den utrymmande personens förändrade gånghastighet utan även i personens beteende och övergripande även som ett förändrat personflöde i trappan. Att den fysiska ansträngningen kan påverka utrymningsförloppet har belysts som ett aktuellt problemområde under flera decennier, både i Sverige och internationellt. Än idag har dock ingen explicit studerat sambandet mellan till exempel människors gånghastigheter uppför trappor och deras fysiska förmåga. Starkt stöd för att den fysiska ansträngning som det innebär att gå uppför en trappa också påverkar utrymningsförloppet gavs i en studie som publicerades 2013, Choi et al (2013). Vid individuella försök med studenter (mellan 20 till 30 år) i Sydkorea mättes förflyttning såväl upp- som nerför trappor i ett 50 våningar högt hus. Effekten av den fysiska ansträngningen visade sig bland annat i en reducerad gånghastighet. Den reducerande gånghastigheten varierade från individ till individ beroende på bland annat personliga faktorer som hälsotillstånd, kondition samt grad av tidigare fysisk ansträngning under försöket. Hur stor variationen hade varit om det varit en grupp av personer motsvarande de som rör sig i en Bygg & teknik 6/14 Figur 2: Hur hade ett utrymningsförlopp sett ut i denna situation om rulltrapporna stått stilla? Hade alla människor i bilden klarat av att på egen hand sätta sig i säkerhet? Hur lång tid hade det tagit? Tabell 1. Sammanställning av gånghastigheter uppför trappor längs med gånglinjen (om inte annat anges), se figur 3. Endast studien av Kretz et al. (2006) samt Choi et al. (2013) omfattade försök i långa trappor. Medel- Kommentar Källa Land hastighet 0,67 Män under 30 år Fruin, 1971 USA 0,64 Kvinnor under 30 år 0,63 Män mellan 30 och 50 år 0,59 Kvinnor mellan 30 och 50 år 0,51 Män över 50 år 0,49 Kvinnor över 50 år 0,52 a Ensam person som ej påverkas av Kretz et al, 2008 Tyskland andra 0,47 a Grupp med låg densitet och liten inbördes påverkan på varandra 0,44 a Grupp med hög densitet och tydlig påverkan på varandra 0,27 b Äldre kvinnor (> 65 år) Yeo & He, 2009 Singpore 0,28 b Äldre (> 65 år) 0,29 b Äldre män (> 65 år) 0,29 b Barn (< 13 år) 0,30 b Vuxna kvinnor 0,31 b Vuxna 0,32 b Vuxna män 0,75 c Män våning 1 25 (medelvärde) Choi et al, 2013 Sydkorea 0,55 c Män våning (medelvärde) 0,53 d Kvinnor våning 1 25 (medelvärde) 0,42 d Kvinnor våning (medelvärde) Byggnaden var 50 våningar hög 0,5 Hög persontäthet, dock högst Boverket, 2013 Sverige två personer per kvadratmeter 0,6 e Låg persontäthet, så låg att personerna rör sig helt oberoende av varandra Trappan hade en lutning på 35,1 och var 35,8 meter hög. Mätning skedde efter 25 meter. Avser vertikal hastighet. Flera korta trappor vid olika tunnelbanestationer studerades. 643 tunnelbaneresenärer ingick i studien. Trappornas lutning är inte känd, vilket ger att gånghastigheten längs trappan inte går att fastställa. c Studien omfattade 30 män i åldern år (medel 24,6 år) d Studien omfattade 30 kvinnor i åldern år (medel 22,2 år) e Värdet uppges vara baserat på ett fåtal observationer (okänt vilka). 37

3 verklig undermarksanläggning vet vi inte, men det är nog rimligt att anta att variationen hade varit betydligt större än i försöket. Förklaringen till den reducerade gånghastigheten ansågs delvis bero på att den inledande fysiska ansträngningen vid förflyttning uppför en trappa genererar en anaerob metabolism (mjölksyra) som inte kan upprätthållas under en längre tid. Konsekvensen skulle i utrymningssammanhang uppför längre trappor vara att gånghastigheten successivt reduceras för att minska energibehovet till dess att energiförbrukningen nått en nivå som kroppen kan upprätthålla under en längre tid. Dessvärre gjordes inte några mätningar av det fysiska arbetet i studien. Det pågående forskningsprojektet syftar bland annat till att bringa mer klarhet i vad för effekter detta har för utrymningskonceptet och hur det kan beaktas i framtida utformningar av utrymningsvägar. Gånghastighet och personflöde Det är få studier som studerat utrymningsförlopp uppför långa trappor, och som nämnts ovan är det inga tidigare studier som tydligt studerat sambandet mellan utrymningsförloppet och den fysiska ansträngning som det innebär. Det finns dock ett fåtal studier som studerat utrymningsförlopp i längre trappor och som berört kopplingen. Dessa har alla gemensamt att de konstaterat att utrymmande människors gånghastighet sjunker med ökad byggnadshöjd (något som påvisats även vid utrymning nerför trappor). Det har också fastslagits att den tid det tar att gå uppför en lång trappa är längre än att gå nedför densamma, och i en jämförelse mellan en lång och en kort trappa var den genomsnittliga gånghastigheten uppför den långa trappan cirka hälften så hög som i den korta trappan. Trots att underlaget är litet har en sammanställning av uppmätta gånghastigheter uppför vanliga trappor gjorts. Sammanställningen presenteras i tabell 1 på föregående sida. Som referens ingår även Boverkets allmänna råd vid beräkning av människors förflyttningstid i utrymningssituationer. Det ska även noteras att gånghastigheterna har mätts på olika sätt och i figur 3 presenteras olika sätt att uttrycka gånghastigheten i en trappa. Sammanställningen visar på att befintlig data till stor del härrör ifrån en personfördelning som inte representerar den som normalt kan förväntas råda i undermarksanläggningar och att Boverkets rekommenderade värden är höga i förhållande till dessa. Som ett alternativ till vanliga trappor i undermarksanläggningar diskuteras i vissa sammanhang även stillastående rulltrappor som en möjlig del av en utrymningsväg. Underlaget är dock kraftigt begränsat, och vid de studier som genomförts har försökspersonerna bestod uteslutande av unga friska studenter, vilket gav Figur 3: Olika sätt att uttrycka gånghastighet i en trappa: a) längs med gånglinjen; b) längs med den horisontella komposanten, och; c) längs med den vertikala komposanten. att resultaten bör betraktas som indikationer snarare än fakta. En sammanställning över gånghastigheter i rulltrappor motsvarande den för vanliga trappor presenteras i tabell 2. Trots att försökspersonerna i rulltrappsförsöken är unga studenter och att trapporna är relativt korta så syns ett samband mellan gånghastighet och trappans längd. Vid försöken framkom också att långsamma personer påverkade hastigheten för alla personer bakom dem. Oavsett om det handlar om utrymning uppför vanliga trappor eller rulltrappor finns det starka argument för att fysisk ansträngning kommer att påverka utrymningsförloppet genom att till exempel gånghastigheter reduceras. Det verkar helt enkelt vara för ansträngande för människor att upprätthålla samma tempo, särskilt i trappor med hög höjd. Det är dock uppenbart att de få studier som utförts inom området inte mer än berört kopplingen till fysisk ansträngning, och konsekvensen är att det idag inte existerar någon metod för att kvantifiera fenomenet i befintliga utrymningsmodeller och beräkningar. Människors gånghastighet vid utrymning uppför en trappa kommer i kombination med det avstånd de har mellan varandra att påverka personflödet i trappan. Flödet genom en trappa, det vill säga hur många personer som passerar en del av trappan per tidsenhet, beror således både på hur fort personerna går och hur tätt de går. Personflödet avgör hur fort det tar att förflytta personerna från exempelvis en tunnelbaneplattform via trappan upp till markplanet. I en äldre studie, genomförd i början av 1970-talet, konstateras att personflödet upp- som nerför en trappa är ungefär detsamma. Det skulle kunna förklaras av att människor som trots allt går långsammare uppför än nerför en trappa tillåter sig att hålla kortare avstånd till varandra. Senare studier har dock visat på motsatsen. Anledningen till det ökade avståndet vid uppåtgående förflyttning kan motiveras av den benrörelse som uppstår vid uppåtgående förflyttning. När människan förflyttar sig uppåt sker benrörelsen främst i höft- och knälederna, vilket kräver mer utrymme än vid förflyttning nerför trappor eller på plana underlag. Dock är det mycket begränsad kunskap om personflöden vid utrymning uppför långa trappor och de studier som finns för långa trappor innehåller endast information om gånghastighet. Trappors utformning Eftersom den fysiska ansträngningen identifierats som en begränsande faktor vid utrymning uppför trappor har viss uppmärksamhet i litteraturstudien riktats mot utformningen av trappor som dimensioneras för uppåtriktad utrymning. Ett problem i sammanhanget är dock att da- Tabell 2: Sammanställning av gånghastigheter uppför rulltrappor längs med gånglinjen, se figur 3. Medel- Kommentar Källa Land hastighet 0,8 a Ensam person Kadokura et al, Japan 0,7 a Grupp personer 2012 Rulltrappan hade en höjd av 13,2 meter. 0,77 b Ensam persson Okada, Hasemi Japan 0,49 b Ensam person med hindrande & Moriyama, utrustning c ,54 b Grupp personer utan hindrande utrustning 0,47 b, d Grupp personer varav en del utrustade med hindrande utrustning c Rulltrappan hade en höjd av 22 meter. a 79 universitetsstudenter ingick i studien. b Försöksgruppen bestod av 35 manliga och 15 kvinnliga studenter med medelåldern 21 år. c Instant senior innebar i försöken att försökspersonerna försågs med utrustning som försvårade rörelse för att efterlikna äldre personer. d Individerna instant senior påverkade hela gruppen. 38 Bygg & teknik 6/14

4 gens dimensioneringsförutsättningar för trappor är baserade på nedåtgående förflyttning i trappor, något som har att göra med den ökade risken för olyckor i förhållande till uppåtgående förflyttning. En annan viktig aspekt att ta med är att dessa dimensioneringsförutsättningar baseras på forskning som i stor del genomfördes på 1970-talet. Att det saknas tydliga dimensioneringsförutsättningar för trappor som främst är avsedda för uppåtgående förflyttning är problematiskt inte minst för att den fysiologiska rörelsen, och i förlängningen det utförda arbetet (den fysiska ansträngningen av att gå i trappan), skiljer sig mellan förflyttning upp- och nerför en trappa. Vid uppåtgående förflyttning sker rörelser framför allt i höftoch knäleder då foten mer eller mindre förs parallellt in över trappsteget. Vid nedåtgående förflyttning sker däremot majoriteten av rörelsen i knä- och fotleder och foten förs vinkelrätt ned mot trappsteget. Konsekvensen är att ett lämpligt förhållande mellan trappans stegnos, plan- och sättsteg (se figur 4) vid nedåtgående förflyttning inte nödvändigtvis är lämpligt vid förflyttning i andra riktningen. Enligt dagens byggregler bör plansteget (stegdjupet) vara 0,25 m för att inte tvinga användaren till att ta för onaturliga kliv och måttet hänför sig till nedåtgående förflyttning. Figur 4: Illustration av en trappa med stegnos, plan- och sättsteg markerade. Avslutningsvis kan sägas att det idag också saknas information om hur och var handledare bör placeras för att underlätta vid utrymningsförlopp uppför trappor samt kring hur breda trappor bör vara för att optimera personflöden vid uppåtgående förflyttning. En ny forskningsansats Baserat på den litteraturgenomgång som publicerats tidigare i år kan det konstateras att det finns starka argument för att den fysiska ansträngning som det innebär att gå i en trappa kommer att påverka människors möjlighet till utrymning från undermarksanläggningar. Sannolikt kommer till exempel människors gånghastighet att reduceras med ökad stighöjd, och detta får konsekvenser för den totala förflyttnings- och utrymningstiden. Bristen på befintliga studier, forskningsresultat och råd gör dock att den projekterande ingenjörens analys och värdering av personsäkerheten är förknippat med stora osäkerheter, och i förlängningen kan detta leda till att människors faktiska förmåga att utrymma undermarksanläggningar missbedöms. Bristen på dimensioneringsförutsättningar för trappor avsedda främst för uppåtgående förflyttning är också till en nackdel. I ett försök att öka förståelsen kring utrymningsförlopp uppför längre trappor inleddes därför under hösten 2013 ett forskningsprojekt samfinansierat av Trafikverket och Brandforsk. Syftet med projektet är att kartlägga och kvantifiera fysisk ansträngning, utmattning och beteendeförändringar med hänsyn till trappors höjd. Projektet initierades med arbetet kopplat till den litteraturstudie vars resultat översiktigt presenterats i denna artikel. Det långsiktiga målet med projektet (som beräknas avslutat hösten 2015) är att öka förklaringsgraden och att utveckla en ny metod, som eventuellt inkluderar fysisk ansträngning som en styrande parameter för utrymningsdimensionering av undermarksanläggningar med mera där personer kan förväntas utrymma längre sträckor 40 Bygg & teknik 6/14

5 Information om projektet Forskningsprojektet Utrymning i långa trappor uppåt: Utmattning, gånghastighet och beteende är ett svenskt forskningsprojekt som syftar till att öka förståelsen kring utrymning uppför längre trappor genom att undersöka fysisk ansträngning, utmattning och beteendeförändringar med hänsyn till utrymning uppåt i långa trappor. Målet är att ta fram ny data och att utveckla en ny metod för utrymningsdimensionering via trappor i t ex djupa undermarksanläggningar. Forskningsprojektet präglas av en tvärvetenskaplig mångfald och inkluderar forskare inom brandteknik och idrottsfysiologi samt projekterande brandingenjörer med praktisk erfarenhet från yrkeslivet. Inom ramen för projektet kommer bland annat en litteraturstudie och flera utrymningsförsök att utföras i såväl vanliga trappor som rulltrappor. Avslutningsvis kommer resultatet att presenteras i en modell för som i framtiden ska kunna användas för att bättre beskriva utrymningsförlopp uppför trappor. Projektet samfinansieras av bland andra Trafikverket och Brandforsk och den totala budgeten är på drygt 2,1 miljoner kronor. Det inleddes i oktober 2013 och löper över en tvåårsperiod. Slutlig rapport kommer att publiceras under hösten Figur 5: I Ideon Gateway i Lund genomfördes det första i en serie av utrymningsförsök inom ramen för ett forskningsprojekt som syftar till att öka förklaringsgraden kring utrymning uppför längre trapphus. Figur 6: Försöksperson vid försöken i april. Utöver gånghastighet och beteende mättes det fysiska arbetet genom att andningsfrekvens, syreförbrukning, puls och den subjektiva ansträngningen loggades. Bygg & teknik 6/14 uppåt. Frågor som projektet ska försöka besvara är bland annat: Kommer fysisk ansträngning av att gå i trappor att påverka människors gånghastighet, och i så fall hur mycket? Kommer utrymmande människors beteende att påverkas, och i så fall på vilket sätt? Finns det en gräns för hur högt ett vertikalt utrymningsförlopp bör vara, och var går denna gräns i så fall? Hur bör trappor utformas för att minska den fysiska ansträngningen och för att optimera förflyttningstiden? Detta är exempel på frågor som är viktiga att besvara om god ingenjörsmässig dimensionering ska kunna ske. Inom projektet kommer därför, utöver redan publicerad litteraturgenomgång, en serie utrymningsförsök att genomföras i såväl vanliga trappor som rulltrappor. Ett försök har redan genomförts i april i år på Ideon Gateway i Lund (se figur 5), där cirka 70 försökspersoner fick utrymma, såväl individuellt som i grupp, uppför ett tolv våningar högt trapphus. Samtidigt som gånghastighet mättes och beteende dokumenterades mättes även personernas utförda fysiska arbete genom att deras andningsfrekvens, syreförbrukning, puls och subjektiva ansträngning loggades så som visas i figur 6. Senare i år kommer liknande försök att genomföras i Kista Science Tower i Stockholm samt i Stockholms tunnelbana. Projektets resultat och slutsatser kom- mer att publiceras under hösten Mer information om projektet går att finna på Det går även bra att kontakta Karl Fridolf för mer information. Referenser Boverket, (2013), Boverkets allmänna råd om analytisk dimensionering av byggnaders brandskydd, BBRAD 3 (BFS 2011:27 med ändringar t.o.m. BFS 2013:12), Boverket, Karlskrona. Choi, J-H., Galea, E.R., Hong, W-H., (2013), Individual Stair Ascent and Descent Walk Speeds Measured in a Korean High-rise building, Journal: Fire Technology, December Online ISSN: , Publisher: Springer US. Delin, M., & Norén, J. (2014). Fysisk ansträngning vid utrymning uppför trappor Kunskapsöversikt. Lunds universitet, Lund. Fruin, J., (1971), Pedestrian planning and design, Metropolitan association of urban designers and environmental planners, New York, USA. Kadokura, H., Sekizawa, A., & Takahashi, W. (2012). Study on availability and issues of evacuation using stopped escalators in a subway station. Fire and Materials, 36(5-6), Kretz, T., Grünebohm, A., Kessel, A., Klüpfel, H., Meyer-König, T., Schreckenberg, M., (2006), Upstairs Walking Speed Distribution on a Long Stairway, Physik von Transport und Verkehr, Universität Duisburg-Essen, Duisburg, Germany. Okada, N., Hasemi, Y., Moriyama, S. (2012). Feasibility of upward evacuation by escalator An experimental study. Fire and Materials, 36(5-6), Yeo, S.K., He, Y., (2009), Commuter characteristics in mass rapid transit stations in Singapore, Fire Safety Journal 44 (2), pp