Passenger ship design for fire safety: a risk-based approach

Abstract

Fire safety is one of the most important safety issues in shipping, especially for passenger ships due to the significant number of people traveling or serving onboard. The current maritime safety regulatory framework determines prescriptive measures related to fire prevention, protection, and extinction. In an attempt to move forward, the International Maritime Organization permitted the acceptance of fire safety-equivalent designs based on performance-based assessment. However, the inherent randomness of onboard fire events has not yet been systematically addressed. The current thesis aims to advance the ship fire safety assessment by integrating it with probability and risk calculations, contributing significantly to quantifying fire safety in the ship design process. A risk function is introduced combining the probability of fire development and the resulting human loss distribution given this fire accident, incorporating information from the ship layout, structural elements, and combustible materials. The probability of fire development is expressed as the product of the probability of ignition occurrence at any onboard location and the probability of failure of the automatic fire extinguishing system installed in the vicinity of this location. Established methodologies, including system modeling and fault tree analysis, are leveraged to estimate these probabilities. On the other hand, the human loss distribution is estimated on the basis of computational thermos-fluid dynamics simulations, whereby a fire is simulated, and advanced evacuation simulations. The theory of fire dynamics is utilized to develop a parametric mathematical representation of fire behavior that defines representative fire intensity scenarios. Each fire scenario is coupled with a series of evacuation scenarios where human behavior in a fire environment is considered. Both the fire spreading, and evacuation involve a variety of uncertainties that are taken into account in order to estimate the human loss distribution. Practical risk indices can be further derived from the risk function contributing to more objective decision-making. In order to demonstrate the effectiveness of the proposed approach, the fire safety of a part of a cruise ship's fire zone accommodating public spaces is investigated. By employing suitable risk indices, spaces of high fire risk are identified. A comparative evaluation is further performed against an alternative design solution demonstrating the capability of the model to rank candidate designs. A complementary methodology for spaces requiring special treatment, in particular car decks, is also proposed. This is intended to assess onboard spaces where passengers and crew are not supposed to be present during the voyage. An application of this methodology is presented focusing on the accessibility of a car deck of a Ro-Ro passenger ship with particular emphasis on the effect of ventilation on survivability.

Η πυρασφάλεια είναι ένα από τα πιο σημαντικά ζητήματα ασφάλειας στη ναυτιλία, ειδικά για τα επιβατηγά πλοία λόγω του σημαντικού αριθμού ατόμων που βρίσκονται σε αυτά. Το ισχύον ρυθμιστικό πλαίσιο για την ασφάλεια στη θάλασσα εφαρμόζει περιγραφικού τύπου μέτρα για την πρόληψη, την προστασία και την κατάσβεση πυρκαγιάς. Τα τελευταία χρόνια, ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός έχει υιοθετήσει ειδικό πλαίσιο για την αποδοχή σχεδιάσεων ισοδύναμης ασφάλειας με βάση την αξιολόγηση απόδοσης. Ωστόσο, η εγγενής τυχαιότητα μιας πυρκαγιάς σε πλοίο δεν έχει ακόμη αντιμετωπιστεί συστηματικά. Η παρούσα διατριβή έχει ως βασικό στόχο την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας για την αξιολόγηση πυρασφάλειας πλοίων μέσω υπολογισμού πιθανοτήτων και διακινδύνευσης, συμβάλλοντας σημαντικά στη διαδικασία σχεδιασμού του πλοίου με την ποσοτική εκτίμηση διακινδύνευσης έναντι πυρκαγιάς. Το νέο μοντέλο διακινδύνευσης αποτελεί μια συνάρτηση πυκνότητας διακινδύνευσης ανθρώπινων απωλειών από πυρκαγιά που εκδηλώνεται σε πλοίο εντός ενός χρονικού διαστήματος αναφοράς και υπολογίζεται ως το γινόμενο της πιθανότητας να προκύψει ανεπτυγμένη πυρκαγιά και των πιθανών ανθρώπινων απωλειών δεδομένης της πυρκαγιάς, ενσωματώνοντας πληροφορίες από τη διάταξη του πλοίου, την κατασκευή και την εφαρμογή εύφλεκτων υλικών. Η πιθανότητα να προκύψει ανεπτυγμένη πυρκαγιά υπολογίζεται από το γινόμενο της πιθανότητας ανάφλεξης σε κάθε πιθανή θέση στο πλοίο και της πιθανότητας αστοχίας του αυτόματου συστήματος πυρόσβεσης στο αμέσως προγενέστερο της ανάφλεξης χρονικό διάστημα. Η εκτίμηση των πιθανοτήτων αυτών γίνεται με καθιερωμένες μεθοδολογίες, όπως είναι η μοντελοποίηση συστημάτων και η ανάλυση δέντρων σφαλμάτων. Ο υπολογισμός της κατανομής ανθρώπινων απωλειών, από την άλλη πλευρά, βασίζεται στη χρήση προηγμένων εργαλείων υπολογιστικής θερμο-ρευστοδυναμικής για την προσομοίωση πυρκαγιάς και εργαλείων προσομοίωσης εκκένωσης. Αρχικά, χρησιμοποιείται η θεωρία της δυναμικής πυρκαγιάς για την ανάπτυξη μιας παραμετρικής μαθηματικής αναπαράστασης της συμπεριφοράς της πυρκαγιάς που καθορίζει αντιπροσωπευτικά σενάρια έντασης πυρκαγιάς, ενώ στη συνέχεια κάθε σενάριο πυρκαγιάς συνδυάζεται με μια σειρά σεναρίων εκκένωσης όπου λαμβάνεται υπόψη η ανθρώπινη συμπεριφορά σε περιβάλλον πυρκαγιάς και αξιολογείται η επιβίωση. Τόσο η εξάπλωση της πυρκαγιάς όσο και η εκκένωση εμπεριέχουν μια ποικιλία αβεβαιοτήτων που λαμβάνονται υπόψη προκειμένου να εκτιμηθεί η κατανομή των ανθρώπινων απωλειών. Από τη συνάρτηση διακινδύνευσης είναι δυνατή η χρήση πρακτικών δεικτών διακινδύνευσης συμβάλλοντας στην υιοθέτηση μιας, όσο το δυνατό, αντικειμενικής διαδικασίας λήψης αποφάσεων. Τέλος, μέσω εφαρμογής σε μέρος ζώνης πυρασφάλειας κρουαζιερόπλοιου, αναδεικνύονται οι ποικίλες δυνατότητες αξιολόγησης που παρέχει το νέο μοντέλο διακινδύνευσης. Υπολογίζεται η συνάρτηση διακινδύνευσης καθώς και δείκτες διακινδύνευσης που προκύπτουν από τη συνάρτηση και εντοπίζονται χώροι υψηλής διακινδύνευσης έναντι πυρκαγιάς. Έπειτα, πραγματοποιείται μια συγκριτική αξιολόγηση έναντι μιας εναλλακτικής σχεδιαστικής λύσης και αναδεικνύεται η χρησιμότητα της νέας μεθόδου στη διαδικασία αξιολόγησης υποψήφιων σχεδιαστικών λύσεων. Για την ολοκληρωμένη θεώρηση της πυρασφάλειας επιβατηγών/οχηματαγωγών πλοίων, προτείνεται μια συμπληρωματική μεθοδολογία για ειδικούς χώρους όπως είναι το κατάστρωμα οχημάτων. Παρουσιάζεται μια εφαρμογή αυτής της μεθοδολογίας όπου αξιολογείται η προσβασιμότητα και επιβιωσιμότητα σε ένα καταστρώματος οχημάτων επιβατηγού/οχηματαγωγού πλοίου με ιδιαίτερη έμφαση στην επίδραση του αερισμού στην επιβίωση.