Example of FED prediction for 20 tunnel evacuees
Posted: 10 mars, 2014 By: Comments: 1

Metod för bedömning av toxisk påverkan

I Sveriges Plan- och byggförordning (SFS 2011:338) står det i 3 kap. 8 § 1 st. 4 p.:

För att uppfylla det krav på säkerhet i händelse av brand som anges i 8 kap. 4 § första stycket 2 plan- och bygglagen (2010:900) ska ett byggnadsverk vara projekterat och utfört på ett sätt som innebär att […] personer som befinner sig i byggnadsverket vid brand kan lämna det eller räddas på annat sätt […].

Vägledning för hur detta ska tolkas för byggnader ges i Boverkets Byggregler, och i Boverkets allmänna råd om analytisk dimensionering av byggnaders brandskydd (BFS 2011:27), kap. 3.4. I det allmänna rådet framgår bl a godtagbara nivåer för kritisk påverkan vid brand för verifiering av utrymningssäkerhet avseende bl a siktbarhet och  toxisk påverkan. Avseende toxicitet ges punktvärden för kolmonoxid- (< 2000 ppm), koldioxid- (< 5%) och syrgaskoncentrationer (< 15%), men ingen hänsyn tas i det allmänna rådet till exponeringstiden. I sammanhanget skulle jag tro att detta spelar mindre roll då det sannolikt är kravet på siktbarhet som är dimensionerande i de flesta utrymningsanalyser, d v s att godtagbar nivå för kritisk påverkan avseende siktbarhet sannolikt underskrids innan kritiska nivå för toxicitet uppnås.

För de flesta undermarksanläggningar, t ex järnvägstunnlar, är förutsättningarna lite annorlunda. En järnvägstunnel är att betrakta som ett byggnadsverk, men inte en byggnad, varför Boverkets byggregler inte per automatik ska tillämpas, men kraven i Plan- och byggförordningen fortfarande ska följas. Inom ramen för de transportpolitiska målen är det Trafikverket som ansvarar för frågan om personsäkerheten vid utrymning (se SFS 2010:185 och SFS 2011:1131 för närmare precision). Utgångspunkt är den s k TSD:n för tunnelsäkerhet, som av Transportstyrelsen införlivats i svensk lag genom TFS 2011:107 och som utgör minimikrav. Kompletterande grundkrav avseende brandskydd och säkerhet i järnvägstunnlar anges dock i TRVK Tunnel 11 kap. C.2.2.2, och i TRVR Tunnel 11, där det framgår av kap. C.2.3 att en verifiering av personsäkerheten ska göras för järnvägstunnlar längre än 300 m samt att denna säkerhetsanalys ska upprättas enligt Banverkets handbok för personsäkerhet i järnvägstunnlar (BVH 585:30). I BVH 585:30 kap. 7.2 redogörs också gränsvärden som måste uppfyllas för att den s k självräddningsprincipen ska anses vara uppfylld. Intressant i sammanhanget är att dessa krav skiljer sig något i förhållande till Boverkets. Till exempel sägs avseende siktbarhet att utrymmande inte vistas länge än ca 15 minuter i siktsträckor understigande 3 meter och avseende toxicitet att den sist utrymmande gruppen kan ta sig till säker plats innan de toxiska gaserna medför medvetslöshet. Till skillnad från BBRAD uttrycks alltså tidsfaktorn som en variabel att beakta i BVH 585:30.

För att bedöma toxisk påverkan på utrymmande personer kan en s k fraktionsmodell, på engelska Fractional Effective Dose (FED) model, användas. I korthet innebär metoden att den toxiska effekt som en brand har på utrymmande (och för branden exponerade) personer värderas genom beräkningar. Hänsyn tas dels till den koncentration av ett eller flera hälsofarliga ämnen som en person exponeras för, och dels den tid som personen exponeras för ämnet. När en kritisk dos uppnåtts betraktas den utrymmande personen som medvetetslös eller död (beroende på det kriterium, d v s det mått på den kritiska dos, som används). FID eller FLD är i detta sammanhang vanliga beteckningar för Fractional Incapacitating Dose (medvetslöshet) och Fractional Lethal Dose (död) – beräkningsgång och modell är desamma, men kritisk dos varieras beroende på det symptom som predikteras.

I den beräkningsmodell som jag jobbar med inom ramen för det av MSB finansierade TMU-projektet använder jag fraktionsmodeller för att bedöma toxisk påverkan på utrymmande personer i tunnlar (jag använder även samma princip för att utvärdera värmepåverkan p g a strålning och konvektion). Hänsyn tas då till kvävningsämnen, s k asphyxiants, vilket i modellen utgörs av syre, koldioxid, kolmonoxid och vätecyanid. Varje enskilt ämne hanteras mer eller mindre isolerat, där koncentrationen jämförs med den kritiska dosen för respektive ämne för att sedan summeras till en total fraktion för samtliga kvävningsämnen enligt följande beskrivning:

FED(tot) = ((FED(CO) + FED(HCN)) * V(CO2)) + FED(O2)

Jag går inte närmare in på beskrivningen av respektive term, men det som kan vara intressant att känna till i sammanhanget är att V(CO2) är en multiplikationsfaktor som beror på att andningsfrekvensen hos människor ökar med en ökad koncentration av koldioxid i inandningsluften. I genomsnitt kan sägas att vid ca 3% koldioxid i inandningsluften fördubblas andningstakten (l/min), och vid 5% är den tre gånger så hög som vid normala förhållanden. Denna ökade andningstakt kommer alltså att leda till en ökad inandning av tillgängliga brandgaser och förkorta tid till symptom.

Principiellt kan beräkningsgången i beräkningsmodellen beskrivas enligt nedan för varje person som inte hunnit utrymma tunneln (eller som redan avlidit):

1. Personens position i förhållande till branden beräknas
2. Koncentrationer av syre, koldioxid, kolmonoxid och vätecyanid beräknas som en funktion av personens position och tiden in i brandförloppet
3. Fraktionen av den kritiska dosen beräknas och adderas till tidigare beräknade fraktioner
4. Den ackumulerade (totala) dosen beräknas

Vad som utgör en kritisk dos för olika ämnen baseras på extrapoleringar av resultat från genomförda djurförsök i vilka bl a råttor och apor exponerats för dessa kvävningsämnen. Dessa redogörs det närmare för bl a i SFPE:s handbok. Enligt upphovsmannen bakom den principiella modellen (och flera av de djurförsök som genomförts), Dr. David Purser, innebär ett FED-värde på 1.0 att ca hälften av den exponerade populationen kommer att uppvisa symptom av den eftersöka effekten (oftast medvetslöshet eller död). En principiell fråga är alltså huruvida FED = 1.0 bör användas som gränsvärde för när toxisk påverkan för att verifiera personsäkerheten vid utrymning, när trots allt hälften av populationen inte bedöms kunna sätta sig i säkerhet på egen hand. Det rimmar åtminstone inte så väl med det som står uttryckt i PBF, och tolkningen är också i de flesta fall nej. Flera handböcker rekommenderar t ex att en FED-nivå på 0.3 bör användas för att bedöma när gränsvärdet för t ex medvetslöshet uppstår, vilket innebär att endast ca 10% bedöms uppvisa symptom p g a av exponeringen av brandgaser (kopplingen mellan FED = 1.0 – 50% och FED 0.3% – 90% bygger på att individers känslighet för olika kvävningsämnen beskrivs med en log-normalfördelning). I vissa fall rekommenderas så låga nivåer på FED som 0.1 för att hänsyn ska tas till särskilt känsliga sub-populationer (astmatiker och äldre människor), se t ex SFPE:s handbok. Tolkningen, givet log-normalfördelningen, är då att 99% av en exponerad population inte skulle uppvisa några symptom.

I ingenjörs- och tunnelprojekteringssammanhang skulle jag tro att det vanligaste är att tid till medvetslöshet bedöms som dimensionerande i bedömningar av personsäkerheten till följd av bränder. Syftet med min beräkningsmodell är dock att räddningstjänsten ska kunna använda den i sin planering av insatser i undermarksanläggningar, och därför vill jag inte bara räkna fram uppskattade tider på när utrymmande personer blir medvetslösa, utan också på när de beräknas avlida till följd av exponeringen. Det kan ju t ex vara så att räddningstjänstens personal inte hinner rädda folk från medvetslöshet, men att de har viss tid på sig att rädda folk från att avlida. Denna tid vill jag redovisa.

Olika källor anger att ett FED-värde för medvetslöshet på 2-3 kan användas för att bedöma när människor kommer att avlida till följd av exponering för kvävande brandgaser. Därför utnyttjas sambandet ovan för att fortsätta addera fraktioner till FED(tot) även efter det att en person bedöms som medvetslös. Dock görs en förändring av den term som beskriver fraktionen av kritisk dos av kolmonoxid efter det att en person blivit medvetslös. Jag antar helt enkelt att andningstakten för en medvetslös person är lägre än för en gående person, vilket gör att den beräknade fraktionen för samma koncentration kolmonoxid bedöms som lägre efter medvetslöshet. Dessutom har forskning visat att vilande personer tolererar en högre dos kolmonoxid innan symptom uppstår, något som också beaktas i modellen vilket gör att den beräknade fraktionen blir ytterligare lägre för samma koncentration kolmonoxid efter medvetslöshet. För att ni ska förstå vad jag menar återger jag nedan den principiella ekvationen för hur fraktionen av den kritiska dosen avseende kolmonoxid beräknas (där understrukna variabler minskas respektive ökas efter medvetslöshet):

FED(CO) = (konstant * koncentration(CO) * andningstakt * exponeringstid) / kritisk dos

Ovan antagande är mitt eget och vägledning för det saknas i sin helhet. Det hade därför varit intressant att höra om någon av mina läsare försökt sig på liknande beräkningar tidigare. I så fall är ni välkomna att höra av er och delge era erfarenheter.

Not: Av Plan- och bygglagen framgår att ett byggnadsverk (1 kap. 4 §) är en byggnad eller annan anläggning.

Not 2: Fredrik Nystedt presenterar i sin rapport Verifying Fire Safety Design in Sprinklered Buildings några enkla överslagsberäkningar som visar på sambandet mellan FED (för medvetslöshet) och siktbarhet. Beräkningarna antyder att en siktbarhet på 10 m motsvarar ett FED-värde på 0.003-0.03, vilket styrker teorin ovan om att siktbarheten sannolikt i de flesta fall är dimensionerande vid verifiering av personsäkerhet i byggnader.

 

Post Categories

Research