Pencegahan dan Pembuangan Asap pada Bangunan

Banyak kebakaran bangunan telah menunjukkan bahwa asap beracun bersuhu tinggi dalam kebakaran menyebar dengan cepat dan melalui berbagai saluran, menjadikan asap di dalam bangunan salah satu penyebab utama yang menghambat evakuasi orang dan operasi pemadaman kebakaran serta menyebabkan kematian. Desain pencegahan asap pada bangunan sangat penting untuk memastikan keselamatan orang di dalam bangunan dan mencegah penyebaran asap. Pencegahan dan pembuangan asap bangunan harus menjadi pertimbangan utama dalam desain keselamatan kebakaran bangunan pada departemen operasi bersih rumah sakit.

(1) Prinsip dasar desain pencegahan dan pembuangan asap adalah mencegah asap masuk ke rute evakuasi dan memastikan keselamatan evakuasi. Namun, untuk bangunan bertingkat tinggi, bangunan tanpa jendela, dan tempat serupa seperti departemen operasi bersih rumah sakit yang evakuasi dan pemadamannya sulit, perlu dilakukan desain pencegahan dan pembuangan asap pada bagian-bagian pentingnya, dengan menggunakan fasilitas yang utamanya berfokus pada pengendalian asap.

Desain pencegahan dan pembuangan asap harus, sesuai dengan karakteristik asap dan hukum pergerakannya, mempelajari arah aliran asap ruangan yang dapat terbakar dalam tata letak rencana; melalui berbagai asumsi, menemukan skema desain pencegahan asap yang paling ekonomis dan efektif serta rute pengendalian aliran asap, memilih peralatan pencegahan dan pembuangan asap yang sesuai, dan mengatur area serta posisi lubang masuk udara, lubang pembuangan, dan saluran yang wajar.

(2) Pencegahan atau pembuangan asap bangunan dapat dicapai dengan cara pembuangan asap alami, pasokan udara bertekanan mekanis, atau pembuangan asap mekanis. Metode mana yang akan dipilih harus ditentukan melalui pertimbangan menyeluruh terhadap tata letak rencana bangunan, kondisi ventilasi, tinggi ruang, serta kepadatan beban kebakaran di dalam bangunan beserta jenis, bentuk, dan distribusinya.

Untuk memenuhi persyaratan pembedahan dan kebersihan, departemen operasi bersih umumnya relatif kedap udara, dan area bersih mempertahankan tekanan udara yang lebih tinggi daripada lingkungan sekitarnya. Area bersih umumnya tidak memiliki jendela atau hanya memiliki jendela tetap yang tertutup rapat. Dalam desain sistem pencegahan dan pembuangan asapnya, apabila dibangun sebagai bangunan mandiri, harus diperlakukan sebagai bangunan tanpa jendela; apabila dibangun bersama dengan bangunan lain, harus diperlakukan sebagai ruangan tanpa jendela di dalam bangunan. Gambar 10.4　Diagram skema detektor alarm kebakaran dan perangkat kontrol alarm Karena Kode Desain Perlindungan Kebakaran Bangunan saat ini belum memuat ketentuan untuk desain sistem pengendalian dan pembuangan asap pada bangunan, desain terkait dapat dilakukan dengan merujuk pada ketentuan terkait Kode Desain Perlindungan Kebakaran Bangunan Sipil Bertingkat Tinggi dan Kode Desain Perlindungan Kebakaran Pekerjaan Pertahanan Sipil. Namun, desain sistem pengendalian dan pembuangan asap bangunan telah lama menjadi fokus penelitian pengendalian asap dan perlindungan kebakaran bangunan di luar negeri, dan banyak teori telah diusulkan; namun saat ini belum ada metode desain matang yang diterima secara luas. Orang-orang berusaha memecahkan masalah ini dengan metode desain berbasis kinerja, dan sejumlah model prediksi serta perhitungan komputer untuk aliran asap di bangunan telah dikembangkan.

[Referensi]

① Asap adalah campuran udara dengan zat gas, cair, dan padat, yang mengandung banyak panas, yang dihasilkan oleh dekomposisi termal zat selama proses reaksi pembakaran.

Ketika suatu zat mengalami dekomposisi termal dan pembakaran, ia melepaskan panas, cahaya, dan asap. Komposisi dan jumlah asap bergantung pada komposisi kimia bahan yang mudah terbakar dan pada kondisi pembakaran seperti suhu dan pasokan oksigen selama pembakaran. Bahan bangunan yang mudah terbakar, bahan dekorasi, furnitur yang mudah terbakar, dan barang simpanan mudah terbakar lainnya di bangunan biasa sebagian besar adalah senyawa organik yang terdiri dari unsur-unsur seperti karbon, hidrogen, oksigen, belerang, fosfor, dan nitrogen. Dalam kondisi pembakaran sempurna, produk pembakaran suatu zat terutama adalah karbon dioksida, karbon monoksida, uap air, sulfur dioksida, dan nitrogen; lihat Tabel 10.7. Dalam kondisi pembakaran tidak sempurna, selain produk pembakaran di atas, senyawa organik seperti alkohol, keton, eter, dan aldehida juga dihasilkan. Ketika zat dengan kandungan karbon tinggi terbakar dalam kondisi kekurangan oksigen, sejumlah besar partikel karbon dihasilkan. Bahaya asap terhadap tubuh manusia terutama terdiri dari sesak napas yang disebabkan oleh gas beracun yang dihasilkan pembakaran, iritasi pada organ manusia, dan efek suhu tinggi; lihat Tabel 10.8.

Tabel 10.7　Gas Beracun yang Dihasilkan Selama Pembakaran Beberapa Bahan Mudah Terbakar

Tabel 10.8　Bahaya terhadap Tubuh Manusia yang Disebabkan oleh Produk Dekomposisi Termal Bahan Mudah Terbakar Umum

(i) Efek sesak napas. Konsentrasi karbon monoksida yang dihasilkan di ruang kebakaran berbeda secara signifikan tergantung pada sifat, jumlah, dan susunan tumpukan bahan mudah terbakar serta kondisi bukaan ruangan. Hal ini terutama bergantung pada rasio laju reaksi dekomposisi termal dan reaksi oksidasi bahan mudah terbakar. Ketika suhu dalam ruangan terus meningkat, dekomposisi termal bahan mudah terbakar dipercepat, dan lebih banyak karbon bebas dihasilkan, pasokan oksigen yang tidak mencukupi akan menyebabkan konsentrasi karbon monoksida meningkat. Konsentrasi karbon monoksida di ruang kebakaran umumnya dapat mencapai 4%～5%, dan maksimal sekitar 10%. Konsentrasi aman karbon monoksida untuk paparan manusia selama 1 jam adalah 0,04%～0,05%; untuk evakuasi personel, konsentrasi ini tidak boleh melebihi 0,2%.

Ketika kebakaran berkobar dengan hebat di dalam bangunan, konsentrasi karbon dioksida dapat mencapai 15%～23%. Umumnya, paparan konsentrasi karbon dioksida sekitar 10% menyebabkan pusing; dalam kasus parah, koma, kesulitan bernapas, bahkan henti napas dan hilangnya kesadaran dapat terjadi. Paparan konsentrasi karbon dioksida sekitar 20% menyebabkan kelumpuhan sistem saraf pusat manusia, yang menyebabkan kematian.

Selama kebakaran, pembakaran menghabiskan banyak oksigen, dan konsentrasi oksigen di udara turun secara signifikan, mencapai serendah 3%～4% ketika kebakaran berkobar hebat. Umumnya, ketika konsentrasi oksigen di udara turun di bawah 11%, seseorang akan kehilangan kemampuan bernalar, mengalami kejang, dan wajah membiru. Ketika konsentrasi oksigen di bawah 6%, seseorang akan meninggal setelah paparan singkat.

(ii) Efek iritan. Di antara produk dekomposisi termal bahan mudah terbakar selama kebakaran, terdapat beberapa gas, seperti hidrogen klorida, amonia, hidrogen fluorida, sulfur dioksida, fosgen, dan nitrogen dioksida, yang memiliki efek iritan kuat pada tubuh manusia.

(iii) Efek suhu tinggi. Ketika kebakaran terjadi di bangunan dan suhu mencapai titik flashover, suhu dalam ruangan dapat melebihi 500℃ bahkan mencapai setinggi 800℃. Suhu tinggi tidak hanya meningkatkan detak jantung dan menyebabkan keringat berlebih, dengan kelelahan dan dehidrasi yang muncul dengan cepat, tetapi juga dapat membakar orang, menyebabkan cedera atau kematian. Selain itu, asap bersuhu tinggi juga merupakan penyebab utama penyebaran dan perluasan kebakaran yang cepat serta peningkatan kerugian kebakaran. Asap juga mengurangi jarak pandang orang, menciptakan rasa takut, dan memengaruhi evakuasi serta operasi pemadaman kebakaran.

② Pola pergerakan asap di dalam bangunan. Asap bersuhu tinggi yang dihasilkan oleh kebakaran memiliki densitas lebih rendah daripada udara dingin; didorong oleh gaya apung ia naik, dan ketika bertemu dengan pelat lantai atau langit-langit, ia berubah arah, membentuk difusi horizontal asap. Jika suhu asap tidak turun pada saat ini, asap bersuhu tinggi dan udara sekitarnya akan membentuk aliran laminar yang terpisah dengan jelas. Namun pada kenyataannya, seiring asap mengalir dan berdifusi, di satu sisi udara dingin terus bercampur ke dalamnya, dan di sisi lain ia didinginkan serta terhambat oleh komponen bangunan seperti pelat lantai dan langit-langit, sehingga suhunya secara bertahap turun; ketika asap yang mengalir dan berdifusi secara horizontal bertemu dengan benda di sekitarnya, ia semakin didinginkan dan mengalir ke bawah. Dengan cara ini, asap yang mendingin secara bertahap dan udara yang didinginkan mengalir menuju zona kebakaran, membentuk konveksi alami di dalam ruangan, yang membuat api berkobar semakin hebat.

Kecepatan aliran dan difusi asap berkaitan dengan suhu asap dan arah aliran. Kecepatan aliran difusi horizontal asap relatif rendah: umumnya 0,1～0,3 m/s pada tahap awal kebakaran dan 0,5～0,8 m/s pada tahap tengah. Kecepatan aliran difusi vertikal asap relatif tinggi, biasanya 1～5 m/s. Di tangga atau poros pipa, gaya dorong yang dihasilkan oleh efek ceroboh dapat meningkatkan kecepatan aliran asap menjadi 6～8 m/s.

③ Aliran asap di ruang kebakaran. Seiring asap naik di ruang kebakaran, ia menyebar secara horizontal ke segala arah setelah mencapai langit-langit, dan terhambat serta didinginkan oleh selubung bangunan di sekitarnya, cenderung mengalir ke bawah sepanjang dinding. Asap terus dihasilkan, dan lapisan asap atas secara bertahap menebal; ketika ia turun di bawah bukaan pintu dan jendela, ia berdifusi ke luar ruangan dan koridor melalui bukaan pintu dan jendela yang terbuka. Jika pintu dan jendela tertutup, lapisan asap akan terus menebal; ketika suhu dalam ruangan naik ke tingkat tertentu (umumnya 200～300℃), kaca pada pintu dan jendela pecah, dan asap berdifusi ke luar ruangan serta koridor melalui celah pintu dan jendela.

Ketika asap dikeluarkan dari jendela vertikal, udara yang terbawa di dekatnya dapat diisi ulang dari kedua sisi jendela, dan lintasannya melengkung ke atas, sehingga bahaya penyebaran kebakaran ke atas melalui jendela tidak besar; ketika asap dikeluarkan dari jendela horizontal, udara yang terbawa di dekatnya tidak dapat diisi ulang tepat waktu dari kedua sisi jendela, menyebabkan api menempel pada permukaan dinding dan memanjang pada jarak yang relatif jauh; situasi ini memberikan ancaman besar bagi lantai di atasnya.

Ketika pintu ruangan tertutup, tidak ada bukaan lain yang terhubung dengan koridor, dan jendela pada dinding luar terbuka: ketika ada angin di luar dan jendela berada di sisi hadap angin, bidang netral akan naik; ketika jendela berada di sisi belakang angin, bidang netral akan turun.

Ketika pintu ruangan terbuka ke arah koridor, aliran asap menjadi lebih rumit; hal ini akan berkaitan dengan faktor-faktor seperti efek ceroboh bangunan, metode pengendalian dan pembuangan asap, kecepatan angin luar, dan suhu kebakaran.

④ Aliran asap di koridor. Asap yang mengalir dari ruangan ke koridor pada awalnya menempel di bagian bawah langit-langit saat bergerak; karena pendinginan dan pencampuran dengan udara, lapisan asap secara bertahap menebal. Asap di dekat langit-langit dan permukaan dinding mudah didinginkan dan pertama kali mengalir ke bawah sepanjang permukaan dinding; seiring bertambahnya panjang rute perjalanan dan intensifikasi pencampuran dengan udara sekitar, suhu asap secara bertahap turun dan kehilangan gaya apungnya, akhirnya menyisakan ruang melingkar di pusat koridor.

Uji kebakaran telah menunjukkan bahwa, selama tahap kebakaran yang hebat, asap yang keluar dari ruangan bergerak sepanjang langit-langit koridor dalam keadaan laminar, dan ketebalan lapisan asap tetap tidak berubah pada jarak 20～30 m. Namun, selama aliran, jika lapisan asap terhambat oleh balok dan tonjolan lainnya, atau terganggu oleh aliran masuk udara luar atau oleh arus udara dari sistem ventilasi dan penyejuk udara, jarak aliran laminarnya akan dipersingkat dan berubah menjadi keadaan turbulen.

⑤ Aliran asap melalui poros vertikal seperti tangga, poros lift, dan poros pipa. Ketika suhu udara dalam ruangan lebih tinggi daripada suhu udara luar, aliran udara, setelah masuk melalui bukaan di dinding luar lantai di bawah bidang tekanan netral bangunan, bergerak naik melalui poros vertikal seperti tangga, poros lift, dan poros pipa, masuk ke ruangan melalui bukaan poros di atas bidang tekanan netral bangunan, dan kemudian mengalir keluar melalui bukaan dinding luar setiap lantai. Umumnya, distribusi tekanan di dalam bangunan mengikuti hubungan seperti ini: ketika, di bagian bawah bangunan, tekanan udara luar ＞ tekanan setiap lantai ＞ tekanan di dalam poros, udara luar mengalir masuk ke bangunan; ketika, di bagian atas bangunan, tekanan di dalam poros ＞ tekanan setiap lantai ＞ tekanan luar bangunan, udara dalam ruangan mengalir keluar bangunan. Selain itu, karena perbedaan tekanan antara pelat lantai lantai berturut-turut, udara mengalir dari lantai bawah ke lantai atas; dalam kondisi seperti ini, sekali kebakaran terjadi di lantai bawah, asap mengalir ke atas, dan lantai teratas bahkan lebih berbahaya daripada lantai tepat di atas lantai kebakaran.

Ketika suhu udara dalam ruangan lebih tinggi daripada suhu udara luar, gaya apung dihasilkan karena perbedaan berat jenis antara udara dalam dan luar ruangan. Tekanan di bagian atas bangunan lebih besar daripada tekanan luar, sedangkan tekanan di bagian bawah lebih kecil daripada tekanan luar. Ketika terdapat bukaan di dinding luar, udara dalam ruangan mengalir keluar melalui bukaan di bagian atas bangunan, dan udara luar mengalir masuk melalui bukaan di bagian bawah. Fenomena ini adalah efek ceroboh (efek cerobong asap) pada bangunan. Dalam kondisi normal, fenomena ini berperan penting dalam pergerakan udara di dalam bangunan. Selama kebakaran, sejumlah besar panas yang dilepaskan pembakaran menyebabkan suhu dalam ruangan naik dengan cepat, efek ceroboh bangunan menjadi lebih nyata, dan kebakaran menyebar lebih cepat.

⑥ Secara umum, desain pengendalian dan pembuangan asap mencakup satu atau lebih dari metode desain berikut: metode tekanan; metode pembuangan; metode aliran udara.

(i) Metode tekanan. Metode tekanan adalah metode pengendalian asap yang paling umum; contoh yang paling dikenal adalah memberi tekanan pada tangga relatif terhadap ruangan dan lobi asap. Metode ini bertujuan untuk menciptakan perbedaan tekanan di kedua sisi penghalang asap; dalam kebanyakan kasus, perbedaan tekanan 25 Pa diciptakan di kedua sisi baffle asap. Biasanya, sistem pengendalian dan pembuangan asap menciptakan perbedaan tekanan 25 Pa antara area kebakaran dan area yang berdekatan, atau antara lobi asap dan tangga. Misalnya, di gedung perkantoran bertingkat tinggi yang khas, koridor area kebakaran dibuang untuk menciptakan tekanan negatif 25 Pa, sedangkan ruangan dan lobi asap dipertahankan pada tekanan positif, dan tangga dipertahankan pada tekanan positif.

Dalam praktik rekayasa, metode tekanan memerlukan perhitungan area kebocoran dinding, langit-langit, lantai, dan pintu pada setiap lantai. Misalnya, di tangga, zona pembuangan asap biasanya menciptakan tekanan negatif 25 Pa relatif terhadap zona asap yang berdekatan atau tangga. Pertama, luas dinding tangga, langit-langit, dan lantai harus dihitung; mengalikannya dengan koefisien kebocoran udara memberikan area kebocoran selubung bangunan, dan menambahkan area kebocoran pintu tangga menghasilkan total area kebocoran tangga. Menggunakan total area kebocoran dan perbedaan tekanan yang dibutuhkan sebesar 25 Pa, volume udara pasokan dapat dihitung, dan dengan demikian laju tekanan dapat ditentukan.

(ii) Metode pembuangan. Tujuan metode pembuangan adalah mempertahankan lingkungan yang layak huni di ruang tersebut, menjaga ketinggian terendah lapisan asap di atas ketinggian batas toleransi yang dibutuhkan untuk evakuasi aman penghuni—umumnya 2,1 m di atas permukaan lantai, atau, menurut rekomendasi Jepang, $H_s \geqslant 1,6+0,1H_f$ (di mana $H_f$ adalah tinggi bersih ruangan). Metode pembuangan diterapkan secara luas pada atrium dan sistem pusat perbelanjaan besar. Ada beberapa model perhitungan untuk metode pembuangan, yang tidak akan dijelaskan secara rinci di sini.

(iii) Metode aliran udara. Prinsip metode aliran udara adalah mencegah asap bergerak melalui bukaan antar zona pengendalian asap dengan memasok udara dalam jumlah yang cukup. Faktor-faktor yang memengaruhi perhitungan metode aliran udara meliputi tinggi bukaan, suhu asap, suhu udara sekitar, dan kecepatan aliran udara. Satu hal yang perlu diperhatikan saat menerapkan metode aliran udara adalah kecepatan aliran udara tidak boleh melebihi 1 m/s. Jika aliran udara yang dibutuhkan melebihi batas ini, evaluasi teknis terhadap efektivitasnya harus dilakukan untuk menentukan apakah metode ini harus diadopsi.

⑦ Lubang pembuangan asap di area bersih harus dilengkapi dengan langkah-langkah untuk mencegah aliran balik. Lubang pembuangan asap harus berupa lubang pembuangan asap tipe pelat. ⑧ Katup pembuangan asap di area bersih harus dipasang dengan cara tertanam (flush-mounted), dan permukaan katup pembuangan asap harus mudah dibersihkan dan didisinfeksi.

【Referensi】 Peredam api pembuangan asap. Peredam api pembuangan asap dipasang pada jaringan saluran sistem pembuangan asap dan tetap terbuka dalam kondisi normal; selama kebakaran, ia menutup secara otomatis ketika suhu gas di dalam saluran mencapai 280℃. Ini adalah katup yang, dalam jangka waktu tertentu, memenuhi persyaratan stabilitas tahan api dan integritas tahan api serta berfungsi untuk menghalangi asap dan menghentikan api. Komposisi dan bentuknya mirip dengan peredam api. Biasanya dipasang pada saluran udara sistem pembuangan asap dan biasanya tertutup, dengan fungsi manual dan otomatis. Ketika kebakaran terjadi, detektor kebakaran mengirimkan sinyal alarm kebakaran, dan pengontrol memberi energi pada elektromagnet pada katup, menyebabkan katup terbuka dengan cepat, atau katup dapat dibuka secara manual untuk pembuangan asap. Ketika suhu mencapai 280℃, katup menutup secara otomatis dan diatur ulang secara manual. Katup dapat saling mengunci dengan peralatan lain dan dapat mengeluarkan sinyal listrik setelah digerakkan.

Setelah kebakaran terjadi di suatu ruangan, lubang pembuangan asap di ruangan tersebut terbuka, kipas pembuangan asap dinyalakan secara bersamaan untuk membuang asap, dan penghuni melakukan evakuasi. Ketika suhu asap di saluran pembuangan asap mencapai atau melebihi 280℃, asap sudah membawa api, tetapi dalam kondisi normal penghuni di ruangan tersebut sudah menyelesaikan evakuasi. Jika pembuangan asap tidak dihentikan pada titik ini, api dan asap berisiko menyebar ke area lain dan dapat menyebabkan bahaya baru. Oleh karena itu, sangat penting untuk memasang, pada saluran pembuangan asap, peredam api pembuangan asap yang dapat menutup secara otomatis ketika suhu asap melebihi 280℃.

Pemasangan peredam api pembuangan asap harus mematuhi ketentuan berikut:

① Peredam api pembuangan asap harus dipasang pada saluran cabang pembuangan asap sistem pembuangan asap.

② Peredam api pembuangan asap harus dipasang di tempat saluran pembuangan asap memasuki ruang kipas pembuangan asap, dan harus saling mengunci dengan kipas pembuangan asap.

③ Peredam api pembuangan asap harus dipasang pada saluran pembuangan asap yang harus melewati dinding api, dan harus saling mengunci dengan kipas pembuangan asap.