CC BY
111
ml. kpt. mgr inz. Mateusz FLISZKIEWICZ1 ml. kpt. mgr inz. Andrzej KRAUZE2 SGSP, Katedra Techniki Pozarniczej Zaklad Informatyki i Lqcznosci dr hab. inz. Tadeusz MACIAK prof. SGSP3 SGSP, Politechnika Bialostocka
MODELOWANIE ROZWOJU POZARU I ROZPRZESTRZENIANIA SI^ DYMU PRZY WYKORZYSTANIU NUMERYCZNEJ MECHANIKI PLYNOW, NA PRZYKLADZIE OPROGRAMOWANIA FDS
Modeling of fire development and spread of smoke by using numerical fluid mechanics, on the FDS example
Streszczenie
Program Fire Dynamics Simulator (FDS) wykorzystuje metody obliczeniowe numerycznej mechaniki plynow CFD. Model CFD, zastosowany w programie FDS pozwala badac rozwoj pozaru w zlozonych geometriach. CFD opisuje ruch plynu na podstawie rozwiqzan ukladu rownan rozniczkowych czqstkowych Naviera-Stokesa. Wykorzystuje one zasady zachowania masy, p§du i energii. W ramach sprawdzenia mozliwosci praktycznego wykorzystania programow komputerowych CFD w inzynierii bezpieczenstwa pozarowego, zostala wykonana symulacja komputerowa rozwoju pozaru oraz rozprzestrzeniania si§ dymu w obiekcie handlowym, z uwzgl^dnieniem dzialania mechanicznej wentylacji oddymiajqcej. Symulacja wykonano w programie Fire Dynamics Simulator.
Summary
Fire Dynamics Simulator (FDS) is a computational fluid dynamics (CFD) model of fire-driven fluid flow. The software solves numerically a form of the Navier-Stokes equations appropriate for low-speed, thermally-driven flow, with an emphasis on smoke and heat transport from fires. FDS is a powerful tool designed for particular
1 Wklad merytoryczny: obsluga narz^dzia do symulacji, obsluga komputerow i zaprogramowanie klastra obliczeniowego, przeprowadzenie obliczen numerycznych przy pomocy programu komputerowego, przeglqd pismiennictwa;
2 Wklad merytoryczny: postawienie praktycznego problemu projektowego do rozwiqzania, wybor metody obliczen, przeprowadzenie obliczen analitycznych, opracowanie planu pracy, logiki oraz ukladu i tresci artykulu, opracowanie wnioskow;
3 Wklad merytoryczny: nadzor merytoryczny nad cz^sciq badawczq, nadzor nad poprawnosciq merytoryczny tekstu.
fire hazard analysis and solving issues connected with fire safety engineering. Its practical application supports designing non-standard buildings abide by the rules of fire safety. This article describes general outline and main problems connected with using fire safety engineering tools like FDS. As a check, a practical usage of CFD computer programs in fire safety engineering, computer simulation was made of fire growth and spread of smoke in the building trade, including the operation of mechanical smoke ventilation.
Slowa kluczowe: numeryczna mechanika plynow, Fire Dynamics Simulator, inzynieria bezpieczenstwa pozarowego, rozwoj pozaru, rozprzestrzenianie si? dymu Keywords: computational fluid dynamics, Fire Dynamics Simulator, fire safety engineering, fire growth, spread of smoke
1. Wprowadzenie
Dzisiejsze narz?dzia pozwalaj^. modelowac zarowno pozary wewn?trzne, pozary niedowentylowane z symulacji zjawisk rozgorzenia i wstecznego ci^gu plomienia, jak i pozary strumieniowe oraz powierzchniowe. Przy wykorzystaniu programow komputerowych bazuj^cych na metodach obliczeniowej mechaniki plynow CFD (Computational Fluid Dynamics), mozliwe jest m.in.:
• modelowanie zjawiska rozprzestrzeniania si? dymu oraz gor^cych gazow pozarowych przy okreslonych przez uzytkownika warunkach brzegowych,
• modelowanie wplywu instalacji oddymiania (grawitacyjnego, mechanicznego, strumieniowego) na rozprzestrzenianie si? dymu lub weryfikacja efektywnosci wymienionych instalacji, poprzez wprowadzanie warunkow brzegowych jako powierzchni o stalym strumieniu (wentylacja mechaniczna) lub stalym cisnieniu (klapy dymowe),
• definiowanie wlasciwosci czujek i tryskaczy, symulacja czasu zadzialania czujek dymu i ciepla oraz wplywu ich zadzialania na warunki brzegowe (np. uruchomienie wentylatorow, otwarcie klap dymowych).
Programy komputerowe wykorzystuj^ce technik? CFD, pozwalaj^. wprowadzic odpowiedni^. reakcj? spalania oraz wlasciwosci materialow spalanych, a w szczegolnosci: sklad chemiczny paliw, cieplo rozkladu i spalania paliwa. Najcz?sciej, opieraj^c si? na powszechnie uznanych wytycznych projektowych wprowadza si? pozar o konkretnej krzywej rozwoju, okreslonej przez wspolczynnik rozwoju pozaru oraz wartosc maksymaln^. strumienia ciepla. Dodatkowo po obliczeniu liniowej pr?dkosci rozprzestrzeniania si? pozaru oraz stosuj^c odpowiednie funkcje programu, mozna ustawic promienisty i proporcjonalny
wzgl?dem mocy, wzrost powierzchni pozaru. Ponadto mozliwe jest zdefiniowanie ulamka masowego dymu, ktory warunkuje ilosc powstaj^cego dymu z І kg spalonego paliwa, wlasciw^ g?stosc optyczn^ dymu, ktora warunkuje intensywnosc pochlaniania promieniowania widzialnego przez dym o danym st?zeniu oraz np. jeszcze ulamek masowy tlenku w?gla, warunkuj^cego ilosc powstaj^cego tlenku w?gla z І kg spalonego paliwa. Wyniki symulacji odczytujemy przede wszystkim ze szczegolowych przekrojow lub dokladnie okreslonych punktow pomiarowych. Dodatkowo dla pewnosci wyniki mozna sprawdzic w tekstowych plikach wyjsciowych, ktore generuje program. Programy pozwalaj^ rowniez na zdefiniowanie warunkow atmosferycznych, w szczegolnosci: cisnienia
atmosferycznego, wilgotnosci powietrza, kierunku i sily wiatru oraz temperatury powietrza, co oczywiscie moze byc przydatne w przypadku modelowania np. wentylacji pozarowej dzialaj^cej w oparciu o klapy dymowe lub okna oddymiaj^ce. W wyniku przeprowadzenia symulacji mozna uzyskac nast?puj^ce dane:
• temperatur?, zasi?g widzialnosci, nadcisnienie, podcisnienie, pr?dkosci przeplywu
gazow, st?zenia toksycznych i oboj?tnych gazow np. CO, O2, CO2, N2,
• moc pozaru, czas zadzialania tryskaczy, czas zadzialania czujek dymu i temperatury.
W wyniku symulacji uzyskuje si? czas po ktorym wyst?puj^ przekroczenia wartosci granicznych ocenianych parametrow. Otrzymany wynik umozliwia porownanie z wczesniej obliczonym wymaganym bezpiecznym czasem ewakuacji. Taka analiza pozwala ocenic czy w obiekcie s^ zachowane warunki do ewakuacji, na wypadek pozaru.
W artykule zaprezentowano przyklad symulacji rozwoju pozaru oraz rozprzestrzeniania si? dymu w obiekcie handlowym, z uwzgl?dnieniem dzialania mechanicznej wentylacji oddymiaj^cej. Symulacja zostala wykonana przy wykorzystaniu programu Fire Dynamics Simulator.
2. Przyklad symulacji
W ramach sprawdzenia mozliwosci praktycznego wykorzystania programow komputerowych CFD w inzynierii bezpieczenstwa pozarowego, zostala wykonana symulacja komputerowa rozwoju pozaru oraz rozprzestrzeniania si? dymu w obiekcie handlowym, z uwzgl?dnieniem dzialania mechanicznej wentylacji oddymiaj^cej. Celem analizy bylo skontrolowanie czy w tzw. wymaganym bezpiecznym czasie ewakuacji na wyznaczonych drogach ewakuacyjnych i pomieszczeniach wieloprzestrzennych w rozpatrywanym budynku, nie zostan^ przekroczone wartosci graniczne, uniemozliwiaj3.ce ewakuacj? ludzi
z wyznaczonego obszaru. Okreslone wartosci graniczne definiowane s^. poprzez: temperature oraz zasieg widzialnosci. Symulacje przeprowadzono w pomieszczeniu o powierzchni okolo 7500 m2 i kubaturze okolo 35 000 m2. Rozpatrywane pomieszczenie (antresola na ktorej eksponowane s^. zaaranzowane wn^trza mieszkalne) podzielono na 4 strefy dymowe (zbiorniki dymu). Zalozono, ze pozar powstal w jednej ze stref dymowych.
Ryc. 1. Widok rzutu rozpatrywanej kondygnacji (antresola) w aplikacji typu CAD
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 1. View of the mezzanine in CAD applications.
(Source: own work.)
W pierwszej kolejnosci zostaly sformulowane zalozenia wyjsciowe dla instalacji wentylacji oddymiaj^cej. Kryteria projektowe przyjeto wedlug [4]. Dla obliczen projektowych przyj^to wartosci jak dla powierzchni handlowej chronionej standardowymi tryskaczami (czulosc reagowania okreslona wspolczynnikiem RTI > 80), tj.:
• powierzchni^ pozaru - 10 [m2],
• P - obwod pozaru - 12 [m],
• Qw - maksymaln^. moc pozaru (jako konwekcyjny strumien ciepla) - 5000 [kW] (oznaczenie: Qw),
• podzial na 4 strefy dymowe o podstawie kurtyn dymowych 3 [m] od podlogi,
• Y - wysokosc podstawy warstwy dymu - 3,1 [m],
• wysokosc pomieszczenia - ok. 4,60 [m],
• Ce - wspolczynnik zasysania powietrza do warstwy dymu - 0,21 [kg*m-5/2*s-1],
• p0 - gestosc powietrza - 1,22 [kg*m-3],
Cw - cieplo wlasciwe powietrza - 1,G1 [J/kg*K],
9 - przyrost temperatury dymu [o K],
To - temperatura otoczenia [o K],
d - glebokosc warstwy dymu w stosunku do podstaw wentylatorow - 1,5 [m],
T 1 - temperatura bezwzgledna dymu (To + 9) [o K],
Czas uruchomienia tryskaczy - ok. 22G [s] przy mocy pozaru ok. 23GG [kW] - na podstawie [5],
Y - wspolczynnik bezwymiarowy.
W oparciu o powyzsze wartosci przeprowadzono obliczenia w celu uzyskania podstawowej wydajnosci wentylacji oddymiaj^cej. Obliczenia zostaly wykonane zgodnie z zaleceniami normy [4].
Obliczenie masowej ilosci dymu wplywaj^cej do warstwy dymu:
M = Ce x P x Y3/2 = G,21 x 12 x 2V3,13 = 13,76 kg/s (4)
Przyrost temperatury dymu w stosunku do temperatury otoczenia:
0 = Qw = —— = 36G o K (5)
M*Cw 13,76*1,G1
Przy czym rzeczywista temperatura warstwy dymu po uruchomieniu tryskaczy jest zblizona lub nizsza od temperatury uruchomienia tryskaczy.
Objetosciowa ilosc dymu, jak^ nalezy odprowadzic ze strefy dymowej:
Vl = M*(To + &) = 13,76*(288 + 36G) = 25.4G m 3 x s -1 = 914GG m 3 x h -1 (6)
p0*To 1,22*288
Wymagana minimalna powierzchnia dla otworow uzupelniaj^cych powietrze (przy 5 m/s) dla strefy dymowej objetej pozarem (z uwzglednieniem podwyzszonej temp. dymu wg obliczen).
To 288 3 1
Vd = VL x---------- = 25,4G x--------------------------------------- = 11,29 m x s (7)
To + 0 288 + 36G
Vd 11,29
F = 5 = 5 = 2,26 m 2 (8)
W rzeczywistosci w zwi^zku z nisk^ temperature dymu nie przekraczaj^c^ 7G -1GG oC, wymagana powierzchnia otworow uzupelniaj^cych powietrze dla oddymianej strefy
dymowej wyniesie ok. 3,8 m2 .
Dopuszczalny przeplyw dymu przez pojedynczy punkt wyciegowy:
Vmax = 4,16 * Y * d5/2 * (T1 - Tg/ T1)1/2 = 8,6 Ш3 x s-1 = 31.GGG ш3 x h-1 (9)
gdzie: T1 - temperatura warstwy dymu [oK], TG - temperatura otoczenia [oK]
Minimalna ilosc punktow wyciegowych (wentylatorow wyciegowych):
N > Vl/Vmax = 3 (1G)
Minimalna dopuszczalna odleglosc miedzy punktami wyciegowymi:
Smin = G,9 * Vmax 1/2 = 2,6 Ш (11)
Na podstawie powyzszych zalozen uzyskano wymagane wydajnosc wentylacji wyciegowej dla jednej strefy dymowej rowne 91.4GG m3 x h-1. W rozpatrywanej strefie dymowej rozmieszono rownomiernie 6 wentylatorow (w dwoch rzedach po 3 wentylatory w odleglosciach od scian i kurtyn dymowych po ok. 1G m), o wydajnosciach 6 x 15.GGG m3/h i powierzchni 0,2 m2. Podstawa kurtyn (scianek kurtynowych) znajduje sie na wysokosci 3 m od podlogi, czyli 10 cm ponizej obliczonej podstawy warstwy dymu w strefie dymowej. Przyjeto powierzchnie otworow napowietrzajecych rowne powierzchni wszystkich otworow drzwiowych wychodzecych bezposrednio na zewnetrz budynku (3 szt. drzwi zewnetrznych
0 wymiarach geometrycznych otworow rownych 1,8 x 2,0 m na poziomie antresoli), a takze
1 szt. drzwi zewnetrznych w poziomie partem, w rejonie schodow ruchomych, co zapewnia wystarczajecy doplyw powietrza uzupelniajecego, nawet przy jednoczesnym dzialaniu niezaleznych systemow wentylacji mechanicznej we wszystkich strefach oddymiania. Istotnym warunkiem jest predkosc przeplywu powietrza uzupelniajecego wplywajecego do podstawy warstwy dymu z predkoscie, ktora nie powinna przekroczyc 1 m/s. Przy takich zalozeniach wstepnych do wentylacji oddymiajecej, symulacja komputerowa przeprowadzona w celu sprawdzenia poprawnosci powyzszych zalozen, powinna umozliwic sprawdzenie nastepujecych danych:
• stopnia widzialnosci i temperatury na wysokosci 1,8 m dla zalozonego czasu ewakuacji,
• temperatury dymu na wysokosci podstawy warstwy dymu, tj. 3,1 m,
• temperatury dymu pod stropem.
Kolejnym etapem bylo przygotowanie modelu rozpatrywanej czesci budynku. Wprowadzenie trojwymiarowej geometrii zostalo wykonane na podstawie rzutow
i przekrojow. Uzyto siatki regularnej szesciennej o boku 10 cm - w okolicach zrodla pozaru i miejsc gdzie wyst^puj^ najwi^ksze przeplywy oraz 20 cm dla pozostalych obszarow rozpatrywanej geometrii budynku. Obszar obliczeniowy zostal podzielony na 12 siatek obliczeniowych. Rozmiar siatki dobrano w oparciu o [6], [7]. Rysunek 4 przedstawia widok trojwymiarowej geometrii obiektu, ktora zostala wykonana w programie typu CAD.
W przypadku nie pokrycia si$ scian, okien, drzwi lub innych elementow konstrukcyjnych budynku z siatk^ programu FDS, zostal przyj^ty bardziej niekorzystny przypadek z uwagi na rozprzestrzenianie si$ dymu.
Ryc. 2. Widok geometrii antresoli w aplikacji typu CAD, tuz przed zaimportowaniem do
programu FDS.
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 2. View of the mezzanine in CAD application, just before importing into the FDS.
(Source: own work)
Na rysunku 5 przedstawiony zostal widok geometrii w programie do wizualizacji wynikow symulacji SmokeView (przekroj porzeczny na wysokosci stropu).
Ryc. 3. Widok modelu obiektu w programie Smokeview.
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 3 View of the model in Smokeview aplication
Niebieskie kwadraty przedstawiaj^ lokalizacj^ wentylatorow. Kurtyny dymowe widac na rysunku w postaci podluznych elementow w kolorze br^zowym.
W symulacji przyjeto pocz^tkow^ temperature wewn^trz i na zewn^trz obiektu rown^ 20°C. Parametry wiatru nie zostaly wprowadzone do obliczen symulacji komputerowej, poniewaz obiekt jest szczelnie odizolowany od otoczenia zewnetrznego. Wlasciwosci materialow budowlanych przyjeto w symulacji na podstawie [8]. W tabeli 2 przedstawiono wartosci przyjetych wspolczynnikow dla poszczegolnych materialow.
Tabela 1.
Wlasciwosci materialow budowlanych, wprowadzonych do programu FDS.
(Zrodlo: opracowanie wlasne na podstawie [8].)
Tabel 1.
Properties of building materials, made to the FDS.
(Source: own elaboration based on [8].)
Material (Material) G^stosc (Density) [kg/m3] Cieplo wlasciwe (Specific Heat) [kJ/kgK] Wspolczynnik przewodzenia ciepla (Thermal conductivity) [W/m-K]
zelbet 2500 0,84 1,70
bloczki betonowe 800 0,84 0,30
plyta gipsowo-kartonowa 1000 1,00 0,30
szklo 2500 0,84 0,80
stal 7850 0,44 58
tynk wapienny 1700 0,84 0,70
Czas symulacji przyjeto na podstawie obliczonego wymaganego bezpiecznego czasu ewakuacji. Krok czasowy zostal ustalany automatycznie przez program i wyniosl 0,07071 s.
Przewidywany czas ewakuacji uzytkownikow obiektu zostal obliczony na podstawie [9]. Dostepny bezpieczny czas ewakuacji (z ang. ASET - Available Safe Escape Time), to wyliczony czas dostepny pomiedzy zainicjowaniem pozaru a czasem, w ktorym tolerowane, graniczne kryteria bytowe nie s^ przekroczone w okreslonej przestrzeni w budynku. Wymagany bezpieczny czas ewakuacji (z ang. RSET Required Safe Escape Time), to wyliczony czas dostepny pomiedzy zainicjowaniem pozaru a czasem, w ktorym uzytkownicy, w okreslonych przestrzeniach w budynku, s^ w stanie osi^gn^c bezpieczne miejsce. W tabelach 3 i 4 zaprezentowano obliczenie wymaganego bezpiecznego czasu ewakuacji, zgodnie z wytycznymi zawartymi w normie [9].
Tabela 2.
Obliczenie wymaganego bezpiecznego czasu ewakuacji, cz.1.
(Zrodlo: opracowanie wlasne na podstawie [9].)
Tabel 2.
Calculation of the required safe evacuation time, part 1.
(Source: own elaboration based on [9].)
Projektowy scenariusz zachowan i rodzaj uzytkowania (Design behavioral scenarios and occupancy types)
Kategoria B1
Gotowosc uzytkownikow Czuwaj^cy
Znajomosc uzytkownikow Niezaznaj omieni
Gestosc uzytkownikow Wysoka
Wydzielenia / zlozonosc Jedno lub kilka
Efekt jakosci systemu alarmowego na pierwsze-wst^pne reakcje (Effect of alarm system on pre-movement)
Poziom systemu alarmowego A2 dwuetapowy system alarmowy: automatyczny system wykrywania pozaru w calym budynku przekazuje alarm do osob zarz^dzaj^cych budynkiem lub do ochrony, rozgloszenie alarmu dla wszystkich uzytkownikow w zagrozonych przestrzeniach nastepuje recznie lub samoczynnie po uplywie ustalonego czasu opoznienia, jesli wstepny alarm nie zostanie skasowany
Efekt zlozonosci budynku na czas ewakuacji (Effect of building complexity on evacuation time to a protected escape route)
Poziom budynku B2 (na przyklad prosty, wielokondygnacyjny budynek biurowy) przedstawia prosty budynek, z wieloma przegrodami wewnetrznymi i zazwyczaj wielokondygnacyjny, z wiekszosci^ cech projektowanych zgodnie z warunkami techniczno-budowlanymi i prostym wewnetrznym rozplanowaniem.
Klasyfikacja systemu zarz^dzania bezpieczenstwem pozarowym i wplyw na
czas ewakuacji (Classification of fire safety managment characteristics and effects on evacuation time)
Poziom zarz^dzania Poziom Zarz^dzania M1: z wysokim poziomem wyszkolenia personelu oraz z mozliw^ nieobecnosci^ pracownikow dozoru na kondygnacji budynku. Moze nie byc niezaleznego audytu.
Tabela 3.
Obliczenie wymaganego bezpiecznego czasu ewakuacji, cz.2.
(Zrodlo: opracowanie wlasne na podstawie [9].)
Tabel 3.
Calculation of the required safe evacuation time, part 1.
(Source: own elaboration based on [9].
Obliczenie Wymaganego Bezpiecznego Czasu Ewakuacji - WBCE (Calculation of Required Safe Escape Time RSET)
Obliczenie czasu detekcji pozaru Dane producentow i normowe: td - czas detekcji pozaru: 60 s .
Obliczenie czasu alarmowania ta - czas alarmowania: 3 s. Zainstalowany dzwiekowy system ostrzegawczy.
Obliczenie czasu pierwszych-wstepnych reakcji Kategoria scenariuszy i modyfikacje: B1 czuwaj^cy, niezaznajomieni - M1 B2 A1. tp-wr - czas reakcji: 120 + 30 + 30 = 180 s
Obliczenie czasu przejscia Predkosc na drodze poziomej - 1,2 m/s. Obliczenie dlugosci drogi do najdalej polozonego wyjscia ewakuacyjnego z antresoli przy zalozeniu, ze jedne drzwi ewakuacyjne s^ niedostepne: dlugosc drogi w poziomie -ok. 71 ш (czas przejscia 71 m : 1,2 m/s = 60 s). Przepustowosc przez wszystkie drzwi ewakuacyjne o l^cznej szerokosci 14,4 m wedlug [10] wynosi 1,33 osob/m/s co umozliwia przejscie w ci^gu sekundy 19,15 osob. Powierzchnia rozpatrywanej czesci obiektu wynosi ok. 7876 m2, zgodnie z rozporz^dzeniem [11], przyjeto maksymaln^
liczbe uzytkownikow wg wskaznika: 4m2/osobe (jak dla pomieszczen handlowo-uslugowych). St^d maksymalna liczba osob przebywaj^cych w tym obszarze wynosi: 1969 osoby. Czas przejscia wszystkich uzytkownikow przez drzwi wyjsciowe: 1969 : 19,15 =103 s tp - czas przemieszczania: 163 s
WBCE=td+ta+tp-wr+tp = 406 s
Zalozono, ze pozar powstaje w okolicach dwoch wyjsC ewakuacyjnych (na antresoli), w przestrzeni handlowej z meblami (dzial mebli i wyposazenia kuchni/jadalni). Uznano, ze pozar w tym obszarze jest najbardziej niekorzystny ze wzgl?du na wyst?powanie duzej ilosci materialow oraz lokalizacj? w poblizu wyjsc ewakuacyjnych. Na podstawie [4], przyj?to g?stosc mocy pozaru 625 kW/m2 i powierzchni? pozaru 5 m2 . Moment zadzialania tryskaczy - 220 s, przyj?to zgodnie z [5]. Do symulacji wprowadzono szybki rozwoj pozaru (wspolczynnik a=0,04689 zgodnie z Procedurami KG PSP [13], do momentu zadzialania tryskaczy), oraz wolny (wspolczynnik a=0,00293 zgodnie z Procedurami KG PSP [13], po zadzialaniu tryskaczy). Zmiana mocy pozaru w czasie przebiega wedlug zaleznosci:
q=a * *2 (12)
gdzie q - ilosc wydzielaj^cego si? ciepla, a - stala okreslaj^ca przebieg krzywej rozwoju pozaru, t - czas od momentu powstania pozaru
Zgodnie z tym zalozeniem uruchomienie tryskaczy, ktore znajduj^ si? na wysokosci
4,5 metra nast^pi po okolo 220 sekundach przy mocy pozaru 2300 kW. W rozpatrywanej przestrzeni handlowej wyst?powac mog^ meble i artykuly wyposazenia kuchni oraz jadalni, mi?dzy innymi: meble kuchenne, dywany i wykladziny podlogowe, obrusy, tkaniny, zaslony, lampy, oswietlenie oraz galanteria kuchenna. W zwi^zku z tym do analizy przyj?to jako material spalany piank? poliuretanow^, z uwagi na najwyzszy wspolczynnik dymotworczosci. Wlasciwosci palne pianki poliuretanowej zostaly dobrane na podstawie [12]. Ponizej znajduje si? wykres zmiany mocy pozaru w funkcji uplywu czasu, dla rozpatrywanego scenariusza.
Ryc. 4. Zmiana mocy pozaru w funkcji uplywu czasu (Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 4. Change of fire power as a function of time. (Source: own work)
W celu sprawdzenia warunkow ewakuacji w badanym czasie, analizie poddano nast?puj^ce parametry symulowanego pozaru:
• Zasi?g widzialnosci - sprawdzono dla znakow fluorescencyjnych na wysokosci 1,8 m od poziomu podlogi.
• Temperatura - na wysokosci 1,8 m od poziomu podlogi i na 2,5 m.
Wartosci graniczne sprawdzanych parametrow:
• Temperatura - 60 oC (333 K, mozliwosc poparzenia gornych drog oddechowych przy wysokiej wilgotnosci powietrza, wartosc przyj?ta zgodnie z [9] oraz Procedurami KG PSP [13]),
• Temperatura - 200 0C (473 K, na wysokosci 2,5 m nad poziomem posadzki (parametr okreslaj^cy warunki do ewakuacji zgodnie z [9] oraz Procedurami KG PSP [13]),
• Zasi?g widzialnosci - 10 m dla kraw?dzi elementow budowlanych i fluorescencyjnych znakow ewakuacyjnych, 15 m dla znakow podswietlanych (parametry okreslaj^ce warunki do ewakuacji zgodnie [9] oraz Procedurami KG PSP [13]).
Wyniki symulacji zostaly przedstawione za pomoc^ przekrojow poziomych badanych parametrow pozaru. Przekroje przedstawiaj^ analizowane parametry w momencie przekroczenia wartosci granicznych oraz po przewidywanym czasie ewakuacji. Kolorem czarnym zaznaczone zostaly wartosci graniczne poszczegolnych parametrow pozaru. Uzyskano nast?puj^ce wyniki symulacji:
Rozklad temperatury na wysokosci 2,5 m, na poziomie antresoli, po przewidywanym czasie ewakuacji. Wartosci graniczne temperatury na wysokosci 2,5 m nie zostanq, przekroczone.
Ryc. 5. Rozklad temperatury na wysokosci 2,5 m, na poziomie antresoli.
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 5. The temperature distribution at a height of 2.5 m, on the mezzanine.
(Source: own work.)
Rozklad temperatury na wysokosci 1,8 m, na poziomie antresoli. Po czasie przewidywanym czasie ewakuacji, wartosci graniczne temperatury nie zostanq, przekroczone.
Ryc. б. Rozklad temperatury na wysokosci 1,8 m, na poziomie antresoli.
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. б. The temperature distribution at a height of 1.8 meters on the mezzanine.
(Source: own work.)
Spadek zasi?gu widzialnosci na wysokosci 1,8 metra, na poziomie antresoli. Po przewidywanym czasie ewakuacji, czyli po 406 sekundach od momentu powstania
pozaru, zasi?g widzialnosci spadl punktowo ponizej wartosci granicznych, w zaledwie kilku miejscach strefy dymowej, w ktorej powstal pozar. W s^siednich strefach dymowych nie obserwuje si? spadku zasi?gu widzialnosci ponizej wartosci granicznej.
Ryc. 7. Spadek zasi?gu widzialnosci na wysokosci 1,8 metra na poziomie antresoli
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 7. Decrease in range of visibility at a height of 1.8 meters on the mezzanine.
(Source: own work)
Tabela 4.
Tabela z zestawieniem otrzymanych wynikow analizy komputerowej
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Tabel 4.
Summary table of results of computer analysis
(Source: own work.)
Rozpatrywany parametr, wartosc graniczna (The relevant parameter, the critical limit) * Czas (time) [s] ** Obszar na jakim rozpatrywany parametr zostal przekroczony (The area in which the parameter under consideration was exceeded)
Temperatura - wys. 1,8 m WBCE Nie wyst?puje przekroczenie
Temperatura - wys. 2,5 m WBCE Nie wyst?puje przekroczenie
Zasi?g widzialnosci - wys. 1,8 m WBCE Przekroczenie wyst?puje punktowo w zaledwie kilku miejscach rozpatrywanej strefy dymowej, co nie powinno pogorszyc warunkow ewakuacji. W s^siednich strefach dymowych warunki dla ewakuacji zostaj^ zachowane.
* Za warunki krytyczne uznaje si? przekroczenie temperatury 60 °C (333 K) na wysokosci 1,8 m, 200 °C (473 K) na wysokosci 2,5 m oraz widzialnosc ponizej 10 m na wysokosci 1,8 m. Bior^c pod uwag? bl^d wyznaczania temperatury wynosz^cy okolo 15%, obserwowano czy nie zostaly przekroczone temperatury odpowiednio: 51 °C (324 K) i 170 °C (443 K).
** skrot WBCE oznacza tzw. wymagany bezpieczny czas ewakuacji, ktory dla tego scenariusza wynosi 406 sekund.
• Rozklad temperatury dymu na wysokosci warstwy dymu - 3,1 m, na poziomie
antresoli. Temperatura osi^ga maksymaln^ wartosc 99,5 °C (372,5 K, bezposrednio nad pozarem).
Ryc. 8. Rozklad temperatury dymu na wysokosci warstwy dymu - 3,1 m, na
poziomie antresoli.
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 8. The temperature distribution of smoke in the smoke layer height - 3.1 m,
on the mezzanine.
(Source: own work)
Smokeview 5.4.8 - Dec 3 2009
Slice
Frame: 677 Time: 406.2
Rozklad temperatury dymu w przekroju pionowym, na poziomie antresoli.
Ryc. 9. Rozklad temperatury dymu w przekroju pionowym, na poziomie antresoli.
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 9. Smoke temperature distribution in vertical section, on the mezzanine.
(Source: own work)
Przenikanie dymow do s^siednich stref dymowych po 406 sekundach (WCBE).
Smokeview 5.6 - Oct 29 2010
Ryc. 10. Przenikanie dymow do s^siednich stref dymowych po 406 sekundach (WCBE)
(Zrodlo: Opracowanie wlasne)
Fig. 10. The penetration of smoke to adjacent smoke zones after 406 seconds (WCBE)
(Source: own work)
4. Podsumowanie
Na podstawie przjtych zalozen do okreslenia wymaganej wydajnosci instalacji wentylacji oddymiaj^cej i dokonanej na ich podstawie symulacji komputerowej metod^ CFD wynika, ze obliczeniowa wydajnosc wentylacji oddymiaj^cej wynosz^ca 92.000 m3/h jest wystarczaj^ca do zapewnienia w wyliczonym czasie ewakuacji, rownym 406 sekund, dostatecznego zasi^gu widzialnosci na poziomie 1,8 metra co najmniej 10 m. Spadek zasi^gu widzialnosci wyst^puje wyl^cznie punktowo, w niewielkim obszarze strefy dymowej, w ktorej powstal pozar. W zwi^zku z powyzszym dym nie b^dzie stanowil zagrozenia dla ludzi podczas ewakuacji. Rozpatrywana wentylacja oraz zastosowane tryskacze, zapewniaj^ ponadto zachowanie bezpiecznych wartosci temperatury na poziomie 1,8 metra i 2,5 metra. Uzyskano nastepuj3.ce wyniki:
• po przewidywanym czasie ewakuacji utrata zasi^gu widzialnosci w strefie w ktorej powstal pozar wyst^puje wyl^cznie punktowo w niewielkim obszarze,
• w s^siednich strefach dymowych, warunki uwazane za akceptowalne dla ewakuacji zostaj^. zachowane,
• w obliczonym czasie ewakuacji dym na poziomie 1,8 m nie przekracza dopuszczalnej wartosci temperatury, wynosz^cej 60 oC (333 K),
• temperatura dymu na wysokosci 2,5 m, po 406 sekundach osi^ga najwyzsz^ wartosc wynosz^c^ 105 oC (378 K, w kolumnie konwekcyjnej),
• temperatura dymu na wysokosci podstawy warstwy dymu na 3,1 m po obliczonym czasie ewakuacji wynosi maksymalnie 99,5 oC (372,5 K nad pozarem), natomiast
bezposrednio pod stropem maksymalnie okolo 220 oC (493 K, w kolumnie konwekcyjnej).
Nalezy podkreslic, ze do symulacji komputerowej przyj?to niekorzystne zalozenia, tj.:
• normowy, pozar pianki poliuretanowej (material wysoko dymotworczy),
• po zadzialaniu tryskaczy, dalej rozwijaj^cy si? pozar z mal^ pr?dkoscie.
Natomiast wykonana symulacja potwierdza, ze przy zalozeniu wolnego rozwoju pozaru po zadzialaniu tryskaczy (co jest wlasciwe z uwagi na stosunkowo niskie usytuowanie tryskaczy - ok.
4,5 m od podlogi) nie wyst?puje sytuacja w zakresie znacznego obnizania si? warstwy dymow. Wskazuje na to m.in., tylko punktowe przenikanie dymow do s^siednich stref dymowych. Reasumuj^c powyzsze ustalenia mozna przyj^c, ze zalozona wydajnosc wentylacji pozarowej jest wystarczaj^ca dla zapewnienia odpowiednich warunkow ewakuacji z kondygnacji b?d^cej przedmiotem analizy, na wypadek zalozonego scenariusza pozarowego.
Literatura
1. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. NIST Special Publication 1018-5, 2010;
2. McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., McDermott R., NIST Special Publication 1019-5. Fire Dynamics Simulator (Version 5) User's Guide. 2010;
3. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., NIST Special Publication 1018-5, Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide. Volume 3: Validation. 2010;
4. BS 7346-4:2003. Komponenty systemow oddymiania i usuwania ciepla. Cz?sc 4: Zalecenia funkcjonalne i metody obliczeniowe dla systemow oddymiania i usuwania ciepla opartych na stabilnych pozarach projektowych. Wytyczne post^powania;
5. Fire Code Reform. Fire Safety in Shopping Centries, 1998, Final Research Report. Project 6. Australia;
6. NUREG 1824, United States Nuclear Regulatory Commission: Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant applications, Volume 6 Fire Dynamics Simulator. 2007.
7. Gobeau N., Ledin H.S., Lea C.J., Guidance for HSE Inspectors: Smoke movement in complex enclosed spaces - Assessment of Computational Fluid Dynamics, Health and Safety Laboratory, 2002;
8. PN-EN ISO 6946:2008. Komponenty budowlane i elementy budynku. Opor cieplny i wspolczynnik przenikania ciepla. Metoda obliczania;
9. PD 7974-6:2004. The application of fire safety engineering principles to fire safety design of buildings. Part 6: Human factors: Life safety strate-gies-Occupant evacuation, behaviour and condition (Sub-system 6);
10. Check Scot and NI 5588-11 Approwed Document B wedlug British Standard code for building.
11. Rozporz^dzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku, w sprawie warunkow technicznych, jakim powinny odpowiadac budynki i ich usytuowanie (Dz. U. z dnia 15 czerwca 2002 r., z pozn. zm.);
12. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Third Edition. 2002;
13. Komenda Glowna Panstwowej Strazy Pozarnej, Biuro Rozpoznawania Zagrozen: Procedury organizacyjno-techniczne w sprawie spelnienia wymagan w zakresie
bezpieczenstwa pozarowego w inny sposob niz okreslono to w przepisach techniczno-budowlanych. 10.2008.
ml. kpt. mgr inz. Andrzej Krauze
absolwent SGSP, studiow dziennych dla strazakow w sluzbie kandydackiej, rok ukonczenia studiow inzynierskich: 2009, studiow magisterskich: 2011.
Po ukonczeniu studiow inzynierskich zatrudniony w JRG SGSP jako Dowodca Sekcji, od 10.2010 zatrudniony na stanowisku mlodszego specjalisty w Zakladzie Informatyki
i L^cznosci od 05.2011 zatrudniony na stanowisku Asystenta w Zakladzie Informatyki
i L^cznosci
ml. kpt mgr inz. Mateusz Fliszkiewicz
absolwent SGSP, studiow dziennych dla strazakow w sluzbie kandydackiej, rok ukonczenia studiow inzynierskich: 2009, studiow magisterskich: 2011.
Po ukonczeniu studiow inzynierskich zatrudniony w JRG SGSP jako Dowodca Sekcji, od 03.2012 zatrudniony na stanowisku Asystenta w Zakladzie Informatyki i L^cznosci
Dr hab. inz. Tadeusz Maciak, prof. SGSP urodzil si? 1949 roku w Warszawie. Studia na Wydziale Elektroniki Politechniki Warszawskiej ukonczyl w roku 1973. Po studiach rozpocz^l prac? w Instytucie Technologii Elektronowej Politechniki Warszawskiej (obecnie Instytut Mikro i Optoelektroniki). Zajmowal si? problemami zwi^zanymi z optoelektronik^. Prac? doktorsk^ obronil na Wydziale Elektroniki Politechniki Warszawskiej w roku 1982. W roku 1991 rozpocz^l prac? na Wydziale Informatyki Politechniki Bialostockiej. W roku 1994 obronil prac? habilitacyjn^ na Wydziale Elektroniki Politechniki Wroclawskiej. W roku 1998 rownolegle podj^l prac? w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. W latach 2001-2006 Dziekan specjalnosci „Systemy Informatyczne w Technice i Zarz^dzaniu” w Wyzszej Szkole Ekonomiczno-Technicznej w Legionowie. W ostatnich latach jego zainteresowania koncentruj^ si? na wykorzystaniu aparatu informatycznego w rozwi^zywaniu zagadnien zwi^zanych z ogolnie poj?tym bezpieczenstwem wewn?trzny panstwa. Prowadzi prace zwi^zane z problematyk^ procesu wspomaganiu podejmowania decyzji w Panstwowej Strazy Pozarnej. W kr?gu jego zainteresowan znajduj^ si? rowniez wszelkiego typu symulacje komputerowe zagrozen pozarowych oraz problematyka ewakuacji ludnosci z zagrozonych obiektow.
Recenzenci
prof. dr hab. Inz. Miroslaw Kosiorek prof. dr hab. inz. Andrzej Teodorczyk
