CC BY
58
ml. kpt. mgr inz. Mateusz FLISZKIEWICZ1 ml. kpt. mgr inz. Andrzej KRAUZE1 dr hab. inz. Tadeusz MACIAK2
MOZLIWOSCI STOSOWANIA PROGRAMOW KOMPUTEROWYCH W INZYNIERII BEZPIECZENSTWA
POZAROWEGO3
The possibility of applying computer programs in fire safety engineering
Streszczenie
W artykule przedstawiono ogolny zarys i problematyk^ zwi^zan^. z wykorzystaniem programow komputerowych w zakresie analizy i prognozowania wybranych zagrozen. Dokonano przegl^du oprogramowania i jego mozliwosci wykorzystania w swietle polskiego prawa. Szczegoln^. uwag§ skupiono na dwupoziomowej formule przepisow, ktora w przyszlosci umozliwiac b^dzie projektowanie obiektow budowlanych w oparciu o metody obliczeniowe. Opisano obszary, w ktorych obecnie wykorzystuje si§ programy komputerowe w celu oszacowania bezpieczenstwa. Ponadto, autorzy omawiaj^. podstawowe wymagania, jakie powinny spelniac programy do modelowania wybranego zagrozenia. W artykule przedstawiono mozliwosci programow komputerowych z zakresu modelowania rozwoju pozaru, modelowania zachowania si§ konstrukcji w czasie pozaru oraz modelowania skutkow awarii przemyslowych. Dla kazdej z wymienionych dziedzin przygotowano przegl^d oprogramowania wraz ze spisem podstawowych funkcji. Zaproponowano wymagania dotycz^ce formy wprowadzania danych wejsciowych oraz formy prezentacji danych wyjsciowych. Wszystkie informacje zaprezentowano w formie tabel porownuj^cych mozliwosci wybranych programow.
Summary
The article describes general outline and main problems connected with using computer programs for analysis and forecasting of selected threats. An overview of the software and its possibility to apply in the light of Polish law was presented. Particular attention is focused on the two-tier formula regulations, which in the future will allow to design buildings based on computational methods. The areas in which computer programs are used to assess safety are shown. In addition, the authors discuss the basic requirements to be met by the selected software. The article discusses the possibilities of software development in the field of fire modeling, modeling behavior of the structure during the fire, and modeling the effects of industrial accidents. For each of these areas overview of the software, together with a list of basic functions was prepared. Proposed requirements for input data entry form and presentation of the output were also discussed. All information is presented in the form of tables comparing the capabilities of selected programs.
Slowa kluczowe: inzynieria bezpieczenstwa pozarowego, modelowanie pozarow, bezpieczenstwo, przegl^d oprogramowania;
Keywords: fire safety engineering, fire modeling, safety, software overview;
1. Wprowadzenie
Rozwoj technologii komputerowych oraz zwi^-zanych z tym zaawansowanych metod obliczenio-wych, jak na przyklad numeryczna mechanika ply-now, pozwolil na zastosowanie komputerow do sy-mulacji roznorodnych problemow inzynierskich, wl^czaj^c w to m.in. pozary budynkow czy tez skut-
1 Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej, Katedra Techniki Pozarniczej, Zaklad Informatyki i L^cznosci
2 prof. SGSP, Politechnika Bialostocka
3 Kazdy ze wspolautorow wniosl rowny wklad meryto-ryczny w powstanie artykulu (po 33%).
ki awarii przemyslowych. Obecnie dost^pne modele numeryczne umozliwiaj^. przeprowadzenie skompli-kowanych obliczen uwzgl^dniaj^cych wplyw wie-lu czynnikow oddzialuj^cych na bezpieczenstwo. Daj^. mozliwosc wykonywania globalnych analiz obejmuj^cych duz^. ilosc procesow fizycznych i che-micznych. Ponizej wymieniono kilka najwazniej-szych gal^zi inzynierii bezpieczenstwa pozarowego, do analizy ktorych mozna wykorzystac programy komputerowe w celu rozwi^zania problemow pro-jektowych:
1. modelowanie rozwoju pozaru i rozprzestrzeniania si^ dymu przy wykorzystaniu technik CFD (z ang.
Computational Fluid Dynamics, czyli numerycz-na mechanika plynow),
2. modelowanie ewakuacji,
3. modelowanie zachowania si^ konstrukcji w cza-sie pozaru, przy wykorzystaniu technik FEM (z ang. Finite Element Method, czyli metoda ele-mentow skonczonych),
4. modelowanie skutkow awarii przemyslowych,
5. modelowanie probabilistyczne na potrzeby szaco-wania ryzyka pozarowego,
6. modelowanie zjawiska spalania i rozwoju pozaru na potrzeby analiz popozarowych.
Problematyka modelowania zagrozen z zakresu bezpieczenstwa jest warta szczegolnej uwagi, tym bardziej ze wspolczesnie coraz cz^sciej powstaj^. obiekty budowlane o nietypowych funkcjach i ukla-dach architektonicznych. W zwi^zku z tym jednym z glownych problemow jest zaprojektowanie nowo-czesnych budynkow zgodnie z przepisami budow-lanymi, ktore nie obejmuj^. tak szerokiego zakresu szczegolowej problematyki technicznej. To z kolei zmusza do opracowania nowego podejscia do pro-jektowania budynkow bez ustalania konkretnych rozwi^zan oraz obligatoryjnych sposobow osi^gania wymaganych wlasciwosci uzytkowych. Takie uj^-cie problemu przyczynia si^ do post^pu w budow-nictwie poprzez zastosowanie m.in. odpowiednich narz^dzi inzynierskich, jak np. symulacje komputerowe. Programy komputerowe ze wzgl^du na swo-je szerokie mozliwosci mog^. bye stosowane do roz-patrywania skutkow wielu zagrozen, mi^dzy innymi pozarow. Analiza rozprzestrzeniania si^ produktow spalania i rozkladu temperatury w budynku umoz-liwia okreslenie warunkow panuj^cych podczas pozaru oraz daje mozliwosc ustalenia czasu, po ktorym wyst^pi^. warunki zagrazaj^ce zyciu ludzi. Dodatko-wo bezposrednie wyznaczenie temperatury przegrod lub sprawdzenie rozkladu temperatury pod stropem i jej zmian w trakcie pozaru umozliwia okreslenie bezpieczenstwa konstrukcji danego budynku. Kolej-nym krokiem analizy inzynierskiej moze bye oszaco-wanie wymaganego czasu ewakuacji oraz porowna-nie go z wyznaczonymi warunkami krytycznymi ze wzgl^du na ewakuacji i wytrzymalosc konstrukcji.
Kolejnym obszarem analiz inzynierskich moze byc bezpieczenstwo w przemysle. Dost^pne modele numeryczne umozliwiaj^. modelowanie awarii przemyslowych i ich skutkow. Dobrym przykladem jest projektowanie wentylacji w przestrzeniach zagro-zonych wybuchem. Obecnie najcz^sciej stosuje si^ metody analityczne podane w przepisach i normach dotycz^cych zapobiegania wybuchom [1, 2, 3]. Nie-stety przedstawione sposoby post^powania bazu-j^. na usrednionych wartosciach st^zen, zarowno w przestrzeni, jak i w czasie. Nie jest mozliwe obli-czenie metodami analitycznymi pionowego rozkla-du st^zen substancji o g^stosci wi^kszej lub mniej-
szej od powietrza. Tymczasem st^zenia te mog^. znacznie róznic si^ na poszczególnych wysoko-sciach. Ponadto nie jest mozliwe precyzyjne okreslenie zasi^gu strefy niebezpiecznej w duzych po-mieszczeniach. Trudne jest tez ustalenie maksymal-nego st^zenia substancji palnej w powietrzu usuwa-nym z pomieszczenia, w celu kwalifikacji wn^trza przewodów oraz przestrzeni za ich wylotem.
2. Zastosowanie symulacji komputerowych w kontekscie wymagañ przepisów przeciwpozarowych oraz warunków techniczno-budowlanych dla budynków
Zgodnie z obowi^zuj^cymi w Polsce przepisa-mi programy komputerowe, jako narz^dzia inzynie-rii bezpieczenstwa pozarowego, mog^ byc wykorzy-stywane w szczególnosci do rozwi^zywania nast^-puj^cych zagadnien:
1. analizy rozwi^zan niestandardowych w fazie pro-jektowania obiektów, jako uzasadnienie przyj^-tych rozwi^zan we wniosku o odst^pstwo od przepisów techniczno-budowlanych, zgodnie z art. 9 ustawy z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz. U. z 2006 r. Nr 156, poz. 1118, z pózniejszy-mi zmianami),
2. opracowania i uzasadniania rozwi^zan niestandardowych w obiektach tj.:
a. warunków zamiennych zgodnie z zapisami rozporz^dzenia Ministra Spraw Wewn^trznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w spra-wie ochrony przeciwpozarowej budynków, in-nych obiektów budowlanych i terenów, czy tez rozporz^dzenia Ministra Spraw Wewn^trznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w spra-wie przeciwpozarowego zaopatrzenia w wod^ oraz dróg pozarowych,
b. warunków zast^pczych wedlug wymagan roz-porz^dzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków tech-nicznych, jakim powinny odpowiadac budynki i ich usytuowanie, a takze rozporz^dzenia Ministra Gospodarki z dnia 21.11.2005 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadac bazy i stacje paliw plynnych, ruroci^gi przesylowe dalekosi^zne sluz^ce do transportu ropy naftowej i produktów nafto-wych i ich usytuowanie,
3. teoretycznego sprawdzania skutecznosci przyj^-tych rozwi^zan w ramach koncepcji zabezpiecza-nia obiektu.
Ponadto w Komendzie Glównej Panstwowej Strazy Pozarnej zostaly opracowane procedury [4], które zawieraj^. zalecenia dotycz^ce zakresu i for-my ekspertyz technicznych oraz wniosków w zakre-sie rozwi^zan zast^pczych i zamiennych, a takze za-
sad post^powania komendantow wojewodzkich PSP zwi^zanych z uzgadnianiem tych koncepcji. Zgod-nie z tymi zaleceniami, ekspertyza powinna zawie-rac m.in. cz^sc analityczno-ocenn^, w ktorej nalezy uzasadnic zastosowanie proponowanych rozwi^zan. We wspomnianych wytycznych, Komenda Glow-na PSP zaleca, aby w uzasadnionych przypadkach stosowac narz^dzia inzynierii bezpieczenstwa poza-rowego, czyli np. komputerowe modele symulacyj-ne. W szczegolnosci dotyczy to obiektow, dla kto-rych opracowuje si^ scenariusz pozarowy lub w kto-rych niemozliwe jest wykazanie w sposob niebudz^-cy w^tpliwosci niepogorszenia warunkow ochrony przeciwpozarowej bez przeprowadzenia doklad-nej analizy oraz oceny warunkow powstania i roz-przestrzeniania si^ pozaru z uwzgl^dnieniem wply-wu zastosowanych zabezpieczen technicznych i or-ganizacyjnych. W zwi^zku z tym wedlug Komendy Glownej PSP, zasadne jest przeprowadzenie symu-lacji komputerowych w kontekscie oceny warunkow ewakuacji w obiektach o skomplikowanym ukladzie komunikacyjnym, w przypadku istotnych odst^pstw od kryteriow okreslonych w przepisach.
Trzeba podkreslic, ze obecnie tocz^. si^ prace nad zupelnie now^. formuly przepisow techniczno-bu-dowlanych dla budynkow. Dwupoziomowa struktu-ra (cz^sc obligatoryjna i opcjonalna) tych przepisow, ktora odpowiada najnowszym swiatowym trendom w tej dziedzinie, wprowadza ogromne ulatwienia w stosowaniu metod inzynierskich. Przede wszyst-kim ze wzgl^du na rezygnaj z uci^zliwej proce-dury odst^pstw od obowi^zuj^cych warunkow tech-niczno-budowlanych na rzecz przyjmowania inno-wacyjnych rozwi^zan projektowych. Jesli te przepi-sy wejd^ w zycie, zajdzie koniecznosc obiektywnego wykazania zgodnosci przyj^tego rozwi^zania z wy-maganiami zawartymi w tej nowej, dwupoziomowej formule warunkow techniczno-budowlanych. Takie obiektywne wykazanie zgodnosci b^dzie moglo na-st^pic poprzez metody analityczne, metody ekspe-rymentalne i wreszcie symulacje komputerowe, kto-re daj^. bardzo szerokie mozliwosci sprawdzenia po-ziomu bezpieczenstwa w danym obiekcie. Jednocze-snie symulacje komputerowe s^. sposobem bardzo praktycznym i funkcjonalnym, w odroznieniu od metod np. eksperymentalnych. Na stronie interne -towej Instytutu Techniki Budowlanej [5], przedsta-wiono propozyj nowej formuly warunkow techniczno-budowlanych. Caly czas trwaj^. konsultacje srodowiskowe, przy czym warto zaznaczyc, ze za-den z ich uczestnikow nie neguje przedstawionego zamierzenia. W zwi^zku z powyzszym nalezy przy-puszczac, ze nowe przepisy zostan^ wprowadzone w Polsce w nieodleglym czasie. Niemniej jednak za-pisy nowej formuly warunkow techniczno-budowla-nych mog^. byc dzisiaj traktowane jako zasady wie-dzy technicznej (szczegolnie w kwestiach nieuregu-lowanych przez aktualne przepisy) [6].
Wprowadzenie dwupoziomowej formuly warunkow techniczno-budowlanych w Polsce jest wzo-rowane na metodach i doswiadczeniach kanadyj-skich. W Kanadzie wprowadzenie przepisow prze-ciwpozarowych opartych na wymaganych wlasci-wosciach uzytkowych poprzedzone bylo dlugimi konsultacjami. Warto rowniez podkreslic wyj^tkowe zaangazowanie srodowisk, uczestnicz^cych w tych pracach, co dodatkowo pozwolilo na przygotowa-nie wytycznych dotycz^cych stosowania nowocze-snych metod projektowych. Wdrozenie wspomnianych przepisow trwalo prawie dziesi^c lat. Efektem bylo uzgodnienie tzw. przepisow modelowych (Model Codes) w ksztalcie odpowiadaj^cym wszystkim zainteresowanym stronom, w tym rowniez poszcze-golnym stanom kanadyjskim. Taki sposob formulo-wania zapisow prawa jest charakterystyczny takze dla USA. We wspomnianym kraju przepisy s^. opra-cowywane przez niezalezne instytucje, takie jak np. ICC (International Code Council), czy NFPA (National Fire Protection Association). Po pi^ciu latach od momentu publikacji przepisow, wladze kanadyj-skie rozpocz^ly monitorowanie efektow ich funk-cjonowania. Okazalo si^, ze srodowiska projektan-tow oraz osob zwi^zanych z ochrony przeciwpoza-row^. wysoko oceniaj^ przejrzyst^ struktur^ nowych przepisow. Taka konstrukcja prawa pozwala na lep-sze zrozumienie wymagan osobom odpowiedzial-nym za ich egzekwowanie. Prowadzi to do wi^k-szej otwartosci na innowacyjne rozwi^zania. Podob-ne zmiany w formule warunkow techniczno-budow-lanych, wprowadzono w Republice Poludniowej Afryki. Uwag^ zwraca fakt, ze w tym kraju przepisy oparte na wymaganych wlasciwosciach uzytkowych funkcjonuj^ juz od 20 lat. Niestety w RPA wyraznie zarysowaly si^ liczne trudnosci w stosowaniu tych-ze przepisow. Glownym problemem jest brak spe-cjalistycznych kierunkow ksztalcenia na uczelniach. Z tego wzgl^du osoby uczestnicz^ce w procesie pro-jektowania s^. zmuszone do zdobywania wiedzy oraz kwalifikacji za granic^. Ponadto brak doswiadczenia i wiedzy w tym kraju, nie sprzyja tworzeniu norm lokalnych i zmusza do korzystania z uznanych stan-dardow swiatowych. Prowadzi to bardzo cz^sto do mieszania wymagan oraz szczegolnych rozwi^zan technicznych ze standardow opracowanych w roz-nych krajach. Niestety cz^sto wplywa to negatyw-nie na poziom bezpieczenstwa. Wydaje s% ze juz w tej chwili problem ten przynajmniej cz^sciowo pojawia si^ rowniez w Polsce. W zwi^zku z powyzszym w naszym kraju konieczne wydaje si^ podj^cie krokow zmierzaj^cych do podniesienia m.in. stan-dardow ksztalcenia osob, ktore maj^. udzial w pro-jektowaniu budynkow [7].
3. Wymagania dla programow CFD przeznaczonych do modelowania pozarow
Proces zapobiegania pozarom wewn^trznym, wymaga nieustannego doskonalenia. Wyst^puj^cy aktualnie dynamiczny post^p techniczny i zwi^za-ny z nim rozwoj, dotycz^cy przede wszystkim bu-downictwa nios^. nowe wyzwania w obszarze bez-pieczenstwa pozarowego. Powstaj^ce rozlegle centra handlowe mog^ skupiac w okresach zwi^kszone-go ruchu nawet kilkanascie tysi^cy osob. Powstaje coraz wi^cej budynkow wysokosciowych, nie tyl-ko uzytecznosci publicznej, ale rowniez mieszkal-nych. Pojawila si^ nowa grupa obiektow, wczesniej w Polsce niespotykanych, a mianowicie centra lo-gistyczne, czyli wielkokubaturowe obiekty magazy-nowe, o znacznym nagromadzeniu materialow pal-nych. Wszystko to przyczynia si^ nie tylko do ko-niecznosci odpowiedniego przygotowania do zwal-czania zwi^zanych z tym niebezpiecznych pozarow, ale takze wymaga nasilenia dzialan prewencyjnych, zarowno na etapie projektowania, jak i eksploatacji obiektow, w tym przeprowadzania analiz i prognoz zagrozenia w oparciu o nowoczesne narz^dzia in-formatyczne. Programy przeznaczone do symulacji rozwoju pozaru i rozprzestrzeniania si^ dymu, po-winny umozliwiac modelowanie szeregu zjawisk fi-zycznych, do ktorych mozna zaliczyc:
1. modelowanie zjawiska rozprzestrzeniania si^ dymu oraz gor^cych gazow pozarowych przy okreslonych przez uzytkownika warunkach brze-gowych,
2. modelowanie wplywu instalacji oddymiania (gra-witacyjnego, mechanicznego, strumieniowego) na rozprzestrzenianie si^ dymu lub weryfikacji efektywnosci wymienionych instalacji,
3. modelowanie zadzialania tryskaczy oraz ich wplywu na rozwoj pozaru (obecnie ze wzgl^du na zlozonosc procesu gaszenia powyzsze zjawisko jest dosc mocno ograniczone, poniewaz wymaga zaimplementowania modelu fazy rozproszonej tj. kropli wody),
4. okreslenie czasu zadzialania czujek dymu i cie-pla oraz wplywu ich zadzialania na warunki brze-gowe (np. uruchomienie wentylatorow, otwarcie klap dymowych).
Programy CFD przeznaczone do zastosowan w inzynierii bezpieczenstwa pozarowego powinny posiadac co najmniej dwa podstawowe modele tur-bulencji tj. model RANS (Reynolds-Averaged Na-vier-Stokes) oraz model LES (Large Eddy Simulation). Model turbulencji RANS umozliwia modelowanie pozarow na potrzeby szybkiej weryfikacji (krotki czas obliczen i male wymagania sprz^towe), jak rowniez na potrzeby weryfikacji wentylacji stru-mieniowej (umozliwia najlepsze odzwierciedlenie warunkow rzeczywistych przy wykorzystaniu nie-
duzych mocy obliczeniowych). W przypadku modelu RANS rownania Naviera-Stokesa s^ usrednio-ne w czasie, dlatego w ten sposob otrzymane row-nania nie d^z^. do rozwi^zania bezposrednio ruchu turbulentnego, ale do dostarczenia usrednionych w czasie charakterystycznych wielkosci przeply-wow. Dlatego tez w przypadku tego modelu obszar obliczeniowy nie musi byc bardzo dokladnie po-dzielony, zeby uchwycic najwazniejsze usrednione w czasie wlasciwosci przeplywow. Do najcz^-sciej stosowanych modeli RANS nalez^: k-epsilon, k-omega, Spalart-Allmaras. W inzynierii bezpieczenstwa pozarowego zazwyczaj uzywa si^ modelu k-epsilon. Z kolei model turbulencji LES daje mozli-wosc wnikliwej weryfikacji zjawiska pozaru poprzez odpowiednio dokladne podzielenie obszaru oblicze-niowego. W przypadku modelu LES wszystkie prze-plywy turbulentne oprocz tych najmniejszych, ktorych wielkosc jest mniejsza od pojedynczej komorki obliczeniowej, s^. rozwi^zywane przez rownania Na-viera-Stokesa. Najdokladniejsze (najmniejsze) wiry s^ pomijane. Model LES moze byc rowniez wyko-rzystany do modelowania wentylacji strumieniowej, jednakze wymaga to bardzo dokladnego podziele-nia obszaru obliczeniowego, a co za tym idzie, za-chodzi potrzeba duzego wzrostu mocy obliczenio-wej komputerow. Do najcz^sciej stosowanych nale-z^: Smagorinsky-Lilly, Dynamic Smagorinsky-Lil-ly. W inzynierii bezpieczenstwa pozarowego wy-korzystuje si^ model Smagorinsky-Lilly. Wszystkie ruchy turbulentne s^. rozwi^zywane poprzez bezpo-srednie rozwi^zanie rownan Naviera-Stokesa. Aby skutecznie uzywac modelu DNS niezb^dne jest bar-dzo dokladne podzielenie obszaru obliczeniowego, jak rowniez posiadanie bardzo duzych mocy obliczeniowych [8].
Ponadto oprogramowanie powinno posiadac modele spalania dyfuzyjnego, skladnikow niezmie-szanych wst^pnie - „non-premixed combustion" (taki sposob spalania zachodzi w pozarach). Nie jest konieczne stosowanie modelu spalania kinetyczne-go. Do najcz^sciej wykorzystywanych modeli spalania dyfuzyjnego nalez^: Mixture Fraction" oraz „Finite-Rate Reaction". Model spalania dyfuzyjnego nie opisuje samego procesu spalania, jednakze zamiast tego uzyskuje si^ koncowy efekt tego procesu, czyli produkj ciepla i dymu (poprzez narzuce-nie charakterystycznego, rownomiernego rozkladu tych parametrow na okreslonej obj^tosci). Parame-try te powinny odpowiadac przewidywanemu poza-rowi, ktory moze powstac w danym pomieszczeniu lub obiekcie, a jego wielkosci powinny byc okreslo-ne na podstawie eksperymentalnych doswiadczen lub aktow normatywnych. We wspomnianym mo-delu mozliwe jest zdefiniowanie roznych materialow palnych na potrzeby reakcji spalania, jednakze w symulacji moze byc wykorzystany tylko jeden rodzaj paliwa. Model przyjmuje, ze paliwo miesza
si^ z powietrzem w sposób idealny i jednoczesnie z mieszaniem zachodzi spalanie. Glównym ograni-czeniem takiego podejscia jest moc obliczeniowa komputerów oraz zlozonosc rozwi^zywanych rów-nan w przypadku wielu rodzajów paliwa. Trzeba za-uwazyc, ze to jeden z latwiejszych sposobów przed-stawienia zródla pozaru, jednakze na potrzeby inzy-nierii pozarowej jest on wystarczaj^cy. „Finite-Rate Reaction" to model, który znajduje równiez zastoso-wanie w przypadku wykorzystania modelu turbulen-cji DNS, gdzie bardzo dokladny podzial obszaru ob-liczeniowego umozliwia bezposrednie modelowanie dyfuzji cz^steczek chemicznych (paliwo, tlen i pro-dukty spalania). Jezeli model plomienia jest rozwi^-zywany w bezposrednich obliczeniach DNS, wtedy lokalna temperatura gazu moze byc uzyta do okre-slenia kinetyki reakcji spalania. W ten sposób moz-liwe jest zaimplementowanie wzgl^dnie prostego zbioru jednej lub wielu reakcji chemicznych do mo-delu spalania [8].
Model transportu ciepla przez promieniowa-nie stosowany w symulacjach pozarowych powi-nien uwzgl^dniac podzial pasma promieniowania na przedzialy, odpowiadaj^ce cz^stotliwosciom emisji dla poszczególnych produktów spalania (pary wod-nej, tlenku i dwutlenku w^gla, popiolu), a w pew-nych przypadkach takze gazu pirolitycznego. Poza plomieniem intensywnosc promieniowania powin-na byc obliczana z prawa Stefana-Boltzmana, na-tomiast w bezposrednim s^siedztwie plomienia taki sposób liczenia powoduje duze bl^dy niedoszaco-wania ze wzgl^du na usrednienie temperatury plomienia po calej komórce (jest ona nizsza niz w rze-czywistosci). Model powinien uwzgl^dniac korek-j tego zjawiska. Modele promieniowania maj^ce zastosowanie w procesach spalania to: P-1 lub DO (Discrete Ordinates). Model DO jest najbardziej od-powiedni, poniewaz uwzgl^dnia podzial pasma promieniowania na przedzialy [8].
Oprogramowanie powinno umozliwiac definio-wanie wlasciwosci fizycznych i pozarowych ele-mentów konstrukcyjnych budynków, jak równiez znajduj^cego si^ w nim wyposazenia, które moze wplywac na rozprzestrzenianie si^ cieplych gazów pozarowych poprzez odbieranie temperatury. Do parametrów tych nalezy zaliczyc m.in. g^stosc ma-terialu, cieplo wlasciwe, przewodnosc wlasciw^. W oprogramowaniu powinna byc mozliwosc defi-niowania warunków atmosferycznych, a w szcze-gólnosci: cisnienia atmosferycznego, wilgotnosci powietrza, kierunku i sily wiatru oraz temperatury powietrza. Aplikacje przeznaczone do symulacji po-zarów powinny umozliwiac wprowadzenie odpo-wiedniej reakcji spalania oraz wlasciwosci materia-lów spalanych, a w szczególnosci:
1. sklad chemiczny paliwa,
2. cieplo rozkladu i spalania paliwa,
3. ulamek masowy dymu, warunkuj^cy ilosc po-wstaj^cego dymu z 1 kg spalonego paliwa,
4. g^stosc optyczna dymu, warunkuj^ca intensyw-nosc pochlaniania promieniowania widzialnego przez dym o danym st^zeniu,
5. ulamek masowy tlenku w^gla, warunkuj^cy ilosc powstaj^cego tlenku w^gla z 1 kg spalonego paliwa.
Oprogramowanie powinno posiadac mozliwosc wprowadzania nast^puj^cych geometrii: prostych geometrii opartych o siatk^ kartezjansk^ (prosto-padloscienn^), powierzchni zakrzywionych wyko-rzystywanych do modelowania np. tuneli, niety-powych obiektow uzytecznosci publicznej o niere-gularnych ksztaltach (poprzez zastosowanie siatki czworosciennej lub wielok^tnej). Ponadto powinna istniec opcja importowania geometrii z rysunk-ow CAD (Computer Aided Design), przy pomocy popularnych formatow, takich jak: STEP (Standard for the Exchange of Product model data), IGES (Initial Graphics Exchange Specification), DXF (Data Exchange Format) oraz DWG (Drawing). Ponadto oprogramowanie powinno umozliwiac definiowanie wlasciwosci czujek i tryskaczy.
Oprogramowanie musi umozliwiac otrzymanie nast^puj^cych wynikow symulacji:
1. temperatury,
2. zasi^gu widzialnosci,
3. nad/podcisnienia,
4. pr^dkosci przeplywu gazow,
5. st^zenia toksycznych i oboj^tnych gazow np. CO,
O2, co2, n2,
6. mocy pozaru,
7. g^stosci gazow,
8. czasu zadzialania tryskaczy, czujek dymu i temperatury.
Przy wykorzystaniu funkcji programu powinno byc mozliwe otrzymanie powyzszych wartosci za pomocy punktu pomiarowego, przekroju w dowol-nym miejscu obszaru obliczeniowego, a takze troj-wymiarowej wizualizacji rozkladu badanych para-metrow.
3.1. Proponowane oprogramowanie do zastosowan w symulacjach pozarow wewngtrznych
Programy umozliwiaj^ce modelowanie CFD nalezy podzielic na dwie grupy, tj. oprogramowanie ogolnego przeznaczenia oraz oprogramowanie de-dykowane dla inzynierii bezpieczenstwa pozaro-wego. Opisane powyzej wymagania odnosz^. si^ do oprogramowania dedykowanego, poniewaz w wi^k-szosci programow ogolnego przeznaczenia wyko-rzystuj^cych modele numerycznej mechaniki ply-now dost^pnych jest o wiele wi^cej modeli turbu-
lencji, transportu promieniowania, czy tez spalania. Programy te umozliwiaj^. modelowanie kazdego ro-dzaju przeplywow bez wzgl^du na rodzaj substancji, ktora jest definiowana przez uzytkownika.
Programy bazuj^ce na numerycznej mechanice plynow - ogolnego przeznaczenia:
1. PHOENICS FLAIR,
2. ANSYS FLUENT,
3. ANSYS CFX,
4. STAR-CD,
5. OPENFOAM.
Programy bazuj^ce na numerycznej mechanice plynow - dedykowane dla inzynierii bezpieczen-stwa pozarowego:
1. FDS,
2. JASMINE,
3. SMARTFIRE,
4. KOBRA 3D,
5. KAMELEON,
6. SOFIE.
W tabelach 1 i 2 przedstawiono podstawowe in-formacje dotycz^ce oprogramowania dedykowane -go dla inzynierii bezpieczenstwa pozarowego.
4. Wymagania dla programow przeznaczonych do modelowania zachowania si$ konstrukcji w czasie pozaru
4.1. Wymagania stawiane proponowanemu oprogramowaniu w zakresie modelowania zjawisk fizycznych oraz posiadanych modeli obliczeniowych
Modele stosowane w ocenie zachowania si^ konstrukcji w czasie pozaru, musz^. byc modelami zaawansowanymi, czyli umozliwiac globaln^. analizy calosci konstrukcji, a nie tylko wyizolowanych elementow. W tym wypadku najwlasciwsz^ metod^ dyskretyzacji konstrukcji rozpatrywanego obiektu jest metoda elementow skonczonych (MES). Opro-gramowanie powinno umozliwiac analizy zarowno elementow stalowych, jak i zespolonych. Niezb^d-ne jest posiadanie funkcji modelowania odpowiedzi termicznej, tj. nieustalonego (zmiennego w czasie) przewodzenia ciepla (w dwoch lub trzech wymia-rach). Do przeprowadzenia wlasciwej analizy, wy-korzystywany program musi rowniez umozliwiac szerokie modelowanie odpowiedzi mechanicznej, jak np.:
1. nieustalonych (zmiennych w czasie) stanow na-pr^zen - odksztalcen,
2. analizy stanu napr^zen - odksztalcen w dwoch i trzech wymiarach,
3. rozwi^zywania zagadnien nieliniowych (odksztal-cenia plastyczne),
4. definiowania wlasciwosci fizycznych materialów (cieplo wlasciwe, przewodnictwo, g^stosc, modul Younga, granica plastycznosci) jako funkcji tem-peratury.
Ponadto w programie powinna byc zapewniona mozliwosc importu danych temperaturowych (pro-mieniowanie oraz konwekcja w funkcji czasu) z modeli CFD i strefowych.
4.2. Wymagania dotyczqce wprowadzania danych wejsciowych oraz warunków brzegowych
Funkcje oprogramowania musz^. umozliwiac wprowadzanie geometrii konstrukcji obiektu wraz z detalami konstrukcyjnymi (np. przekrojami ele-mentów). Kolejnym waznym wymogiem jest mozliwosc definiowania wlasciwosci fizycznych materialów w funkcji temperatury. Dodatkowo niezb^d-nymi opcjami w zakresie wprowadzania warun-ków brzegowych jest definiowanie przylozonych sil, przemieszczen, temperatury, a takze strumieni ciepla oraz ich zmiany w czasie (na skutek zniszczenia cz^-sci konstrukcji).
4.3. Wymagania dotyczqce danych wyjsciowych oraz formy ich prezentacji
Oprogramowanie musi umozliwiac otrzyma-nie rozkladu napr^zen i odksztalcen w elementach w funkcji czasu, rozkladu temperatury w elementach w funkcji czasu, a takze czasu do przekrocze-nia poszczególnych parametrów krytycznych w kaz-dym elemencie. Wskazane jest posiadanie mozli-wosci prezentacji za pomoc^. punktu pomiarowego, przekroju w dowolnym miejscu obszaru obliczenio-wego, a takze trójwymiarowej wizualizacji rozkladu badanych parametrów.
4.4. Proponowane oprogramowanie sluzqce do modelowania zachowania si§ konstrukcji w czasie pozaru
Dost^pne modele mozna podzielic na programy wykorzystuj^ce MES (Metoda Elementów Skonczonych) ogólnego przeznaczenia oraz sluz^ce do analizy wytrzymalosci konstrukcji w czasie pozaru. Do modeli ogólnego przeznaczenia nalez^: ANSYS, ALGOR, ABAQUS oraz NASTRAN. Do progra-mów maj^cych zastosowanie w inzynierii bezpieczenstwa pozarowego nalezy program: SAFIR. W tabeli 3. przedstawiono krótk^. charakterystyk^ wymienionych programów.
Tabela l.
Zestawienie funkcji programów przeznaczonych do modelowania pozarów
Table l.
List of features software intended to fire modeling
Model, funkcja, cecha FDS JASMINE SMARTFIRE
Producent National Institute of Standards & Technology Building Research Establishment Fire Safety Engineering Group, The University of Greenwich
Kraj USA Wielka Brytania Wielka Brytania
Licencja open source Akademicka/komercyjna Akademicka/komercyjna
Przeznaczenie Modelowanie wolnych przeplywow wyporowych, szczegölnie pozarôw Modelowanie pozarôw i dzialania urz^dzen przeciwpozarowych Modelowanie pozarôw wewnçtrz-nych
Obliczenia równolegle MPI, OpenMP - mozliwe
Interfejs graficzny Komercyjny: np. Pyrosim Josefine posiada
Preprocesor brak brak danych posiada
Rz^d metody 2 1 brak danych
Metoda dyskretyzacji FD (z ang. Finite Difference - metoda rôznic skonczonych) FV (z ang. Finite Volume - objçtosci skonczonych) FV (z ang. Finite Volume - objçtosci skonczonych)
Rodzaje siatek Regularna szescienna Regularna szescienna Regularna szescienna, mozliwe stosowanie siatek nieregularnych
Import CAD (formaty) Z DWG przez nakladkç na Auto-CAD-a brak danych DXF
Modele turbulencji LES Smagorinsky, DNS RANS k-epsilon z modyfikaj dla wyporu RANS k-epsilon z modyfikaj dla wyporu
Modele spalania Mixture fraction, Finite Rate eddy-break-up model, laminar flamelet model SCRS (Simple Chemical Reaction Scheme)
Modele promieniowa-nia DO (z ang. Discrete Ordinates - model rzçdnych dyskretnych), gaz szary z 6 lub 9 przedzialami czçstotliwosci six flux model, DTRM (z ang. Discrete Transfer Radiation Model - model dys-kretny transferu promieniowania) Radiosity, Six Flux, Multi Ray
Parametry czujek i try-skaczy mozliwe mozliwe mozliwe
Faza rozproszona - in-terakcja kropli wody z plomieniem mozliwe mozliwe mozliwe
Wplyw urz^dzeñ ppoz. na warunki brzegowe mozliwe mozliwe
Walidacja [9] [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23] [24], [25], [26], [27]
Dokumentacja [10], [9], [11], [12], [13] [23] [28]
Tabela 2.
Zestawienie funkcji programów przeznaczonych do modelowania pozarów
Table 2.
List of software features intended to fire modeling
Model, funkcja, cecha KAMELEON KFX KOBRA3D FLAIR SOFIE
Producent FireEx Integrierte Sicherheits-Technik GmbH CHAM Kranfield University
Kraj Norwegia Niemcy Wielka Brytania Wielka Brytania
Licencja Akademicka/komercyjna komercyjna komercyjna Akademicka/komercyjna
Przeznaczenie Pozary i dyspersja gazów Modelowanie pozarów wewnçtrznych Wentylacja, jakosc po-wietrza Modelowanie pozarów wewnçtrznych
Obliczenia równolegle - - mozliwe -
Interfejs graficzny posiada - posiada posiada
Preprocesor posiada posiada posiada -
Rz^d metody brak danych - - 1 i 2
Metoda dyskretyzacji FV (z ang. Finite Volume - objçtosci skonczonych) FV (z ang. Finite Volume - objçtosci skonczonych)
Rodzaje siatek Regularna szescienna, nieregularna
Import CAD (formaty) IGES, PDS, PDMS - - -
Modele turbulencji RANS k-epsilon LES Smagorinsky RANS k-epsilon RANS k-epsilon z mody-fikaj dla wyporu
Tabela 3.
Zestawienie funkcji programow do modelowania zachowania siç konstrukcji
Table 3.
List of software features intended to modeling behaviour of building structures
Model, funkcja, cecha KAMELEON KFX KOBRA3D FLAIR SOFIE
Modele spalania EDC (Eddy Disipation Concept)
Modele promieniowania DTRM (z ang. Discrete Transfer Radiation Model - model dyskret-ny transferu promieniowania) IMMERSOL DTRM (Discrete Transfer Radiation Model) z WSGGM (Weighted Sum of Gray Gas Model)
Parametry czujek i try-skaczy mozliwe mozliwe
Faza rozproszona - in-terakcja kropli wody z plomieniem mozliwe mozliwe mozliwe
Wplyw urz^dzen ppoz. na warunki brzegowe mozliwe mozliwe
Walidacja [31], [32], [33] [З4], [З5], [З6], [З7], [38], [39], [40] [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50]
Dokumentacja [29], [30] [41] [42], [4З] [51]
Model lub cecha ANSYS ALGOR ABAQUS NASTRAN SAFIR
Producent Ansys, Inc (USA) ALGOR, Inc. (USA) SIMULIA, the Dassault Systèmes (USA) NEi Software (USA) University of Liege (Belgia)
Licencja komercyjna komercyjna komercyjna komercyjna komercyjna
Metoda modelowania MES (Metoda Elementów Skonczonych) MES (Metoda Elementów Skonczonych) MES (Metoda Elementow Skonczonych) MES (Metoda Elementów Skonczonych) MES (Metoda Elementow Skonczonych)
Analiza termiczna i mechaniczna w trzech wymiarach tak tak tak tak tak
Stany nieustalone tak tak tak tak tak
Zagadnienia nieliniowe tak tak tak tak tak
Mozliwosc definiowa-nia wlasciwosci ele-mentow w funkcji czasu tak tak tak tak tak
5. Wymagania dla programów przeznaczonych do modelowania skutków awarii przemyslowych
5.1. Wymagania stawiane proponowanemu oprogramowaniu w zakresie modelowania zjawisk fizycznych oraz posiadanych modeli obliczeniowych
Programy przeznaczone do oceny skutków awarii przemyslowych, powinny umozliwiac modelo-wanie nastçpuj^cych zagrozen:
1. uwolnienia i dyspersji substancji niebezpiecznych (cieczy i gazów, palnych i toksycznych),
2. pozarów substancji palnych (dotyczy to pozarów rozlewisk cieczy palnych i strumieni gazu palne-go ze zbiornika pod cisnieniem),
3. wybuchów (zarówno mieszanin gazów palnych z powietrzem, jak równiez materialów wybucho-wych w postaci stalej),
4. wzajemnego oddzialywania (efekt domino, czyli mozliwosc uszkodzenia zbiomika z substancji nie-bezpieczn^. na skutek promieniowania cieplnego lub nadcisnienia wybuchu zbiornika s^siedniego).
Ponizej przedstawiono wymagania dla programow w zakresie mozliwosci modelowania roznych rodzajow emisji, dyspersji, pozarow, wybuchow, a takze przewidywania efektu domino.
Oprogramowanie powinno umozliwiac modelo-wanie nastçpuj^cych rodzajow emisji (ze wzglçdu na czas oraz ze wzglçdu na stan skupienia):
1. chwilowej (uwolnienie calej substancji w jednym momencie np. rozerwanie zbiornika),
2. ci^glej (substancja wydostaje siç ze zbiornika przez nieszczelnosc lub paruje z rozlewiska),
3. gazu sprçzonego (bçd^cego w postaci gazowej niezaleznie od cisnienia, np. sprçzony metan),
4. gazu skroplonego (ciecz wrz^ca - substancja w postaci gazowej pod cisnieniem atmosferycz-
nym skraplaj^ca si^ pod wi^kszym cisnieniem, np. LPG, chlor), 5. cieczy niewrz^cej (kazda substancja b^d^ca w po-staci cieklej pod cisnieniem atmosferycznym np. benzyna, olej nap^dowy).
Programy musz^ posiadac zaimplementowane modele dyspersji:
1. dla gazów lekkich - g^stosc wzgl^dem powietrza mniejsza niz 0,8 (takie gazy jak wodór, metan),
2. gazów pasywnych - g^stosc wzgl^dem powietrza pomi^dzy 0,8 a 1,1 (gazy takie jak tlenek w^gla),
3. gazów ci^zkich - g^stosc wzgl^dem powietrza wi^ksza niz 1,1 (gazy takie jak chlor, pary benzy-ny, spirytusu).
Funkcje oprogramowania powinny umozliwiac modelowanie pozarów cieczy palnej z rozlewiska, zbiornika, a takze pozarów strumieniowych (jet). Ponadto mozliwosci aplikacji musz^. obejmowac modelowanie wybuchów fazy skondensowanej (ma-terialy wybuchowe) oraz wybuchów chmury gazu palnego (wewn^trz i w bezposrednim s^siedztwie budynków, na otwartym terenie, wybuchy BLEVE - Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion). Nie-mniej waznym zagadnieniem jest przewidywanie efektu domino jako zniszczenia s^siedniego zbiornika wskutek promieniowania cieplnego pozaru lub wskutek nadcisnienia wybuchu. Wymagane s^. dwa podstawowe tryby obliczen. Pierwszy to tryb pla-nowania (systematyczna analiza potencjalnej awa-rii, czas obliczen moze byc dluzszy, uzytkownik zna wszystkie parametry maj^ce wplyw na wynik), na-tomiast drugi to tryb dzialan ratowniczych (symula-cje na potrzeby trwaj^cego zdarzenia, wiele parame -trów jest domyslnych, obliczenia niezaleznie od kla-sy posiadanego komputera nie powinny trwac dluzej niz kilka sekund).
5.2. Wymagania dotyczqce wprowadzania danych wejsciowych oraz warunków brzegowych
W zakresie wprowadzania danych wejsciowych, w przypadku modelowania emisji, wskazana aplika-cja powinna umozliwiac definiowanie:
1. substancji i jej parametrów pocz^tkowych (po-cz^tkowa temperatura, cisnienie w zbiorniku, stan skupienia),
2. warunków meteorologicznych,
3. geometrii zbiornika, rozlewiska, nieszczelnosci, rodzaju podloza (czy zbiornik jest poziomy czy pionowy, jakie ma wymiary, na jakiej wysokosci wzgl^dem lustra cieczy i podloza jest otwór).
Funkcje aplikacji w obszarze definiowania danych wejsciowych dla dyspersji musz^ zapewnic mozliwosc wprowadzania: 1. pr^dkosci i kierunku wiatru,
2. temperatury, cisnienia, wilgotnosci oraz zachmu-rzenia,
3. klasy stabilnosci atmosfery (w zaleznosci od stop-nia turbulencji wyróznia si^ kilka klas stabilnosci, im atmosfera bardziej stabilna, tym slabsze jest mieszanie i tym wi^ksze zasi^gi obloków substancji),
4. szorstkosci podloza (usredniona - w zaleznosci czy przeplyw jest po powierzchni wody, polu, le-sie, czy np. w miescie),
5. dokladnej geometrii terenu, z uwzgl^dnieniem rzezby i pokrycia (dotyczy mozliwosci wprowadzania konkretnych budynków, wzniesien, obni-zen terenu).
Opcje programu, w przypadku modelowania pozaru, powinny równiez umozliwiac definiowanie kierunku i sily wiatru. Ponadto dla rozlewiska musi istniec funkcja okreslania wielkosci oraz szybko-sci wyplywu cieczy palnej. W zakresie wprowadzania danych wejsciowych dla modelowania wybu-chów chmury gazu palnego aplikacja musi umozli-wiac definiowanie ksztaltu chmury w momencie za-plonu otrzymanego z obliczen uwolnienia, momentu zaplonu, wplywu geometrii i przeszkód na przebieg wybuchu, a takze wplywu uksztaltowania terenu na przebieg wybuchu. Natomiast dla BLEVE ilosci substancji bior^cej udzial w wybuchu oraz pr^dkosci i kierunku wiatru. Dla fazy skondensowanej wystar-czy opcja definiowania masy materialów.
5.3. Wymagania dotyczqce danych wyjsciowych oraz formy ich prezentacji
W celu pelnego wykorzystania programów do oceny skutków awarii przemyslowych, kluczowe znaczenie maj^. mozliwosci w zakresie odczytywa-nia danych wyjsciowych. W przypadku modelowa-nia uwolnien ze zbiorników musi byc dost^pny od-czyt nat^zenia wyplywu w funkcji czasu, sposób zachowania si^ substancji (czy tworzy rozlewisko, wrze, czy istnieje mozliwosc zapalenia lub wybuchu chmury par), calkowity czas uwolnienia (uwzgl^d-niaj^c mozliwosc spadku temperatury ponizej temperatury wrzenia), a takze informacja czy wyplyw jest jedno- czy dwufazowy. Natomiast w przypadku parowania z rozlewiska istotnymi danymi z punk-tu widzenia analiz jest odczyt nat^zenia parowania w funkcji czasu (dla rozlewiska swobodnego - po-wierzchnia na jak^. rozplynie si^ ciecz).
Istotne dane wyjsciowe w przypadku par i gazów toksycznych s^. nast^puj^ce:
1. zasi^g i ksztalt stref o zadanych st^zeniach (wy-razonych w dowolnych jednostkach NDS - Naj-wyzsze Dopuszczalne St^zenie, AEGL - Acute Exposure Guideline Levels, LD - Lethal Dose),
2. st^zenie w dowolnym punkcie w funkcji czasu, wewn^trz i na zewn^trz budynków (informacja na temat warunków wewn^trz budynków po danym
czasie pozwala ocenic, na ile korzystniejsze jest pozostawienie ludzi w budynkach niz ewakuowa-nie ich z zagrozonej strefy).
Wazne dane wyjsciowe w przypadku par i ga-zow palnych:
1. zasi^g i ksztalt stref o zadanych st^zeniach (do-wolny procent dolnej granicy wybuchowosci, st£-zenie w dowolnych jednostkach),
2. nadcisnienie wybuchu chmury par w przypadku okreslonego momentu zaplonu (rowniez z moz-liwosci^ modelowania najbardziej niekorzystnej sytuacji, gdy moment zaplonu nie jest znany).
Ponadto oprogramowanie powinno umozliwiac uzyskanie nast^puj^cych parametrow dotycz^cych symulacji pozarow:
1. calkowitej mocy pozaru,
2. wysokosci plomienia (wartosc szczegolnie istotna w trakcie prowadzenia dzialan, gdy nie jest znana wielkosc rozszczelnienia, mozna j^. oszacowac po wysokosci plomienia),
3. ilosci substancji spalanej w funkcji czasu,
4. calkowity czas trwania pozaru w zaleznosci od ilosci cieczy w rozlewisku lub zbiorniku,
5. zasi^g i ksztalt stref oddzialywania promieniowa-nia cieplnego o zadanym nat^zeniu (z uwzgl^d-nieniem wplywu wiatru na pochylenie plomienia),
6. nat^zenie promieniowania w dowolnym punkcie.
W obszarze odczytywania danych wyjsciowych dotycz^cych modelowania wybuchow, chmur gazow i par palnych wazna jest mozliwosc sprawdzenia za-si^gu i ksztaltu strefy o danym nadcisnieniu wybu-chu. Natomiast w przypadku wybuchow BLEVE do istotnych parametrow wyjsciowych trzeba zali-czyc: zasi^g i ksztalt strefy o danym nat^zeniu pro-mieniowania cieplnego, nadcisnienie na poszcze-golnych elementach budynkow i ludziach, a takze procent zniszczen elementow budynkow i obrazen u ludzi. Niemniej istotna jest mozliwosc przewidze-nia scenariusza awaryjnego w rezultacie wtornego uszkodzenia, l^cznie z okresleniem zasi^gu i rodzaju oddzialywan na skutek tego uszkodzenia. Wszystkie wyniki otrzymywane w postaci stref powinny byc wyswietlane graficznie i miec mozliwosc bezpo-sredniego naniesienia na map^ terenu. Wyniki w postaci funkcji czasu powinny miec form^ wykresow
y=f(t).
5.4. Proponowane oprogramowanie przeznaczone do modelowania skutkow awarii przemyslowych
W tabeli 4. przedstawiono zestawienie z pod-stawow^ charakterystyk^ oprogramowania prze-znaczonego do modelowania skutkow awarii prze-myslowych. W poszczegolnych wierszach okreslo-no mozliwosci poszczegolnych aplikacji w zakresie
spelnienia wymagan opisanych w poprzednich roz-dzialach.
6. Podsumowanie
W wielu rozwini^tych gospodarczo krajach na swiecie, coraz powszechniejsza staje si^ idea projek-towania ukierunkowana na spelnienie wymaganych kryteriow uzytkowych. Oznacza to mozliwosc szer-szego stosowania rozwi^zan alternatywnych wo-bec wymagan zawartych w przepisach nakazowych. Dzi^ki takiemu podejsciu do projektowania mog^. powstawac nowoczesne budowle. Bardzo dynamicz-ny rozwoj architektury oraz technologii w ostatnich latach spowodowal, ze tradycyjna formula przepi-sow techniczno-budowlanych nie jest odpowiednia dla coraz wi^kszej ilosci projektowanych obiektow. W takich przypadkach jedyna alternatywna sciezka to stosowanie nowoczesnych metod obliczeniowych jako procesu wspomagaj^cego projektowanie. War-to przy tym zwrocic uwag£ na fakt, ze istnieje juz obecnie szeroki zasob narz^dzi oraz mozliwosci ich wykorzystania w ochronie przeciwpozarowej. Dla potwierdzenia tej tezy w ramach niniejszego arty-kulu dokonano obszernego przegl^du oraz wst^p-nej selekcji oprogramowania, ktore z powodzeniem moze zostac wykorzystane w roznych gal^ziach in-zynierii bezpieczenstwa pozarowego. Niestety jest to droga znacznie bardziej skomplikowana w po-rownaniu z prost^. formula przepisow nakazowych (choc rowniez one s^. klopotliwe, ze wzgl^du na rozne interpretacje zapisow). Nowoczesne projektowa-nie, z uwagi na bezpieczenstwo pozarowe, wyma-ga przede wszystkim posiadania duzo wi^kszej wie-dzy na temat funkcjonowania obiektow, zachowan ludzi, rozwoju pozaru, a takze wplywu pozaru na po-szczegolne elementy konstrukcji budynku. Kolejny problem stanowi weryfikacja symulacji komputero-wych. Zagadnienie jest bardziej zlozone ze wzgl^-du na to, ze modele fizyczne oraz numeryczne zaim-plementowane w programach do symulacji opisuje si^ za pomoc^ bardzo duzej liczby roznych parame-trow. Kazdy z tych skladnikow moze miec znaczny wplyw na wyniki symulacji. W zwi^zku z powyz-szym autorowi analizy, uzytkownikowi programu sluz^cego do przeprowadzania symulacji, niezb^dna jest bardzo dobra znajomosc fundamentow nauko-wych wykorzystywanego modelu. Niestety w chwili obecnej ci^zko odnalezc jakiekolwiek formalne wy-magania kwalifikacyjne dla analitykow wykonuj^-cych symulacje komputerowe. Natomiast w srodo-wisku zwi^zanym z ochron^. przeciwpozarow^ coraz cz^sciej pojawiaj^ si^ opinie o koniecznosci oce-ny ich umiej^tnosci, a takze o obowi^zkowym nada-waniu odpowiednich uprawnien.
W Polsce istnieje obecnie dwa niezalezne osrod-ki, ktore wykorzystuj^ najnowsze techniki komputerowe przy wykonywaniu opracowan z zakresu ochrony przeciwpozarowej. Tymi osrodkami s^. In-
Tabela 4.
Zestawienie funkcji programów do modelowania skutków awarii przemyslowych
Table 4.
List of software features intended to uncontrolled hazardous processes modeling
Model EXDAM BREEZE HAZPRO BREEZE CHARM COMPLEX TERRAIN PHAST ALOHA TNO EFFECTS EXPERT RIZIKON
Uwolnienie i dyspersja - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Gazy lekkie i pasywne - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Gazy ciçzkie - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Uniwersalny model dyspersji - - Tak Tak - Tak Tak
Wplyw usrednionej szorstkosci terenu - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Pionowy rozklad stçzen - - Tak Tak - Tak Tak
Uwolnienie z wielu zródel - - Tak - - - -
Reakcje chemiczne, wplyw terenu rozlewisko - - Tak - - - -
Natçzenie emisji zmienne w czasie - - Tak - - - -
Wplyw szczególowej geometrii terenu i poszczególnych budynków - - Tak - - - -
Pozary - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Pozar cieczy w zbiorniku - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Pozar rozlewiska - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Pozar strumieniowy - Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Wybuchy Tak Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Fazy skondensowanej Tak - - - - - -
Chmury gazu palnego Tak Tak Tak - Tak
Wplyw geometrii budynków na przebieg wybuchu, wybuchy wewn^trz budynków Tak - - - Tak - -
Wybuchy na otwartym terenie Tak Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Wplyw uksztaltowania terenu na przebieg wybuchu - - Tak - - - -
BLEVE - Tak Tak Tak Tak Tak
Efekt domino - - - - - - Tak
Dla promieniowania cieplnego - - - - - - -
Dla nadcisnienia wybuchu - - - - - - Tak
Wbudowany modul GIS Tak Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Tryb czasu rzeczywistego *** Tak *** Tak Tak Tak Tak
Ilosciowa ocena ryzyka Tak Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Walidacja Tak Tak Tak Tak Tak Tak Tak
Dokumentacja Tak Tak Tak Tak Tak Tak Tak
stytut Techniki Budowlanej - jednostka badawczo--rozwojowa nadzorowana przez Ministerstwo Infra-struktury oraz Stowarzyszenie Inzynierów i Techni-ków Pozarnictwa - organizacja naukowo-techniczna przynalez^ca do Federacji Stowarzyszen Naukowo--Technicznych Naczelnej Organizacji Technicznej (NOT). Ponadto istnieje wiele firm oraz osób pry-watnych, które swiadcz^ swoje uslugi w oparciu o symulacje komputerowe rozwoju pozaru i rozprze-strzeniania siç dymu. Niestety równiez w Polsce nie powstaly jeszcze wytyczne dotycz^ce prawidlowych zalozen wykonywanej symulacji, nie powolano rów-niez osrodków certyfikuj^cych tego typu ekspertyzy. Zgodnie z obowi^zuj^cym w Polsce prawem, nad-zór nad prawidlowosci^ sporz^dzania specjalistycz-nych opracowan z wykorzystaniem najnowocze-sniejszych narzçdzi inzynierii bezpieczenstwa pozarowego spoczywa na Panstwowej Strazy Pozarnej. Niemniej nalezy stwierdzic, ze Wydzialy Kontrolno--Rozpoznawcze PSP nie s^ w tej chwili w pelni przy-gotowane do rzetelnej oceny prawidlowosci wyko-nania symulacji komputerowych. Glównym proble-mem jest brak odpowiedniego sprzçtu, oprogramowania oraz przeszkolenia funkcjonariuszy pracuj^-cych w ww. wydzialach. W zwi^zku z powyzszym konieczne jest powolanie osrodka zajmuj^cego siç rozwojem najnowoczesniejszych narzçdzi inzynierii bezpieczenstwa pozarowego w ochronie przeciwpozarowej, którego jednym z glównych zadan by-loby szkolenie pracowników PSP oraz weryfikacja symulacji wykonanych przez prywatne podmioty. Oczywiscie osrodek taki powinien powstac w jed-nej z jednostek organizacyjnych Panstwowej Strazy Pozarnej. Szkola Glówna Sluzby Pozarniczej, jako jednostka organizacyjna PSP ksztalc^ca m.in. stra-zaków Panstwowej Strazy Pozarnej oraz osoby cy-wilne, na kierunku inzynieria bezpieczenstwa poza-rowego, bylaby niew^tpliwie dobrym miejscem do utworzenia specjalistycznego osrodka ds. zastoso-wania symulacji komputerowych w ochronie przeciwpozarowej.
Literatura
1. Rozporzqdzenie Ministra Spraw Wewn^trz-nych i Administracji z dnia Z czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpozarowej budynków innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. nr 80 poz. 5бЗ).
2. PN-EN б0079-10-1:2009. Atmosfery wybucho-we. Czçsc 10-1: Klasyfikacja przestrzeni. Gazowe atmosfery wybuchowe.
3. PN-EN б0079-10:200З. Urz^dzenia elektrycz-ne w przestrzeniach zagrozonych wybuchem. Czçsc 10: Klasyfikacja przestrzeni zagrozonych wybuchem.
4. Komenda Giówna Panstwowej Strazy Pozarnej, Biuro Rozpoznawania Zagrozen: Procedury or-ganizacyjno-techniczne w sprawie spelnienia
wymagan w zakresie bezpieczenstwa pozarowego w inny sposób niz okreslono to w przepisach techniczno-budowlanych. 10.2008.
5. www.itb.pl. Dost^p 10.07.2011.
6. Ratajczak D., Co dalej z przepisami nowej formuly?, „Ochrona Przeciwpozarowa", 2010, nr 4, s. 2-3.
7. Tofilo P., Przepisy nowej formufy i nowoczesne metody projektowania. Konferencja SFPE w Lund, „Ochrona Przeciwpozarowa", 2010, nr 3, s. 48-50.
8. Yeoh G.H., Yuen K.K., Computational Fluid Dynamics in Fire Engineering: Theory, modelling and practice, Elsevier, 2009.
9. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. NISTSpecial Publication 1018-5, 2010.
10. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., NIST Special Publication 1019-5. Fire Dynamics Simulator (Version 5) User's Guide, 2010.
11. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide. Volume 2: Verification. NIST Special Publication 1018-5, 2010.
12. 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.
13. McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide. Volume 4: Configuration Management Plan. NIST Special Publication 1018-5, 2010.
14. Kumar S., Cox G., The Application of a Numerical field Model of Smoke Movement to the Physical Scaling of Compartment Fires [w:] Proc. Numerical Methods in Thermal Problems, (red.) Lewis R. W., Johnson J. A., Smith W R, Pinerr-idge Press, 1983, pp. 837-848.
15. Markatos N. C., Malin M. R. and Cox G., Mathematical Modelling of Buoyancy-Induced Smoke Flow in Enclosures, „International Journal of Heat and Mass Transfer", 25, 1982, pp. 63-75.
16. Kumar S., Hoffmann N., Cox G., Some validation of JASMINE for fires in hospital wards [w:] Lecture Notes in Engineering Volume 18. Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Mass Transfer Processes, Springer, 1986, pp. 159-169.
17. Kumar S., Cox G., Mathematical modelling of fire in road tunnels. In Proc 5th Intl Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, BHRA, 1985, pp. 61-76.
18. Pericleous K. A., Worthington D. R. E., Cox G., The Field Modelling of Fire in an Air-Supported
Structure. In Proc 2nd International Symposium on Fire Safety Science, 1988, p. 871.
19. Kumar S., Field Model Simulations of Vehicle Fires in a Channel Tunnel Shuttle Wagon. In Proc 4th International Symposium on Fire Safety Science, Ottawa, Canada, 1994, p. 995.
20. Fardell P. J., Kumar S., Ellwood J. A., Rowley J. A., Vollam S., A Study of Life Threat in Bus Fires, Interflam '93, 1993, p. 401.
21. Miles S. D., Cox G., Prediction offire hazards associated with chemical warehouses, „Fire Safety Journal", 27, 1996, pp. 265-287.
22. Miles S. D., Kumar S., Cox G., Comparisons of 'blind predictions' of a CFD model with experimental data. Proc 6th International Symposium on Fire Safety Science, Poitiers 1999-to be published.
23. Cox G., Kumar S., Field Modelling of Fire in Forced Ventilated Enclosures, „Combustion Science and Technology", 52, 7, 1986.
24. SMARTFIRE Verification and Validation Report, Report Version 4.1.1, Report Revision Date 05/2007, CMS, University of Greenwich. .
25. Development of Standards for Fire Field Models. Report on Phase 1 Simulations, Grandison A.J., Galea E.R., Patel M.K., Office of the Deputy Prime Minister, Fire Research Division, Fire Research Division, Research Report 2/2003, 2003.
26. Development of Standards for Fire Field Models. Report on SMARTFIRE Phase 2 Simulations, Grandison A.J., Galea E.R., Patel M.K., Office of the Deputy Prime Minister, Fire Research Division, Fire Research Division, Research Report 1/2003, 2003.
27. Simulating one of the CIB W14 round robin test cases using the SMARTFIRE fire field model, Wang Z., Jia F., Galea E.R., Patel M.K., Ewer J., „Fire Safety Journal", 36, 2001, pp. 661-677.
28. SMARTFIRE V4.1 User Guide and Technical Manual, Doc Rev 1.0, July 2007.
29. Kameleon FireEx 99 User Manual, SINTEF Energy Research report TRF5119, (B.E. Vembe, K.E. Rian, J.K. Holen, B. Grimsmo, B.F. Magnussen).
30. Kameleon FireEx 99 Theory manual,SINTEF Energy Research report TRF5212, (B. Grimsmo, J.K. Holen, B. Laksa, B.F. Magnussen, T. Myhrvold, B.E. Vembe and K.E. Rian).
31. Kameleon FireEx 99 Release Document, SIN-TEF Energy Reseach report TRF5120, B.E. Vembe, N.I. Lilleheie.
32. Test cases calculated with Kameleon FireEx. Comparisons with measurements. SINTEF Energy Reseach report, TRF4811.
33. Benchmark cases calculated with Kameleon FireEx 97, SINTEF Energy Reseach report TRF4709.
34. Schneider V., Hofmann J., Feldmodell-Simulation von Kohlenwasserstoff-Raumbränden und Sprühnebel-Löschversuchen, vfdb-Zeitschrift 2 (1993)67.
35. Schneider V., Könnecke R., Anwendung des Feldmodells KOBRA-3D zur Simulation von komplexen Brandszenarien auf Fragestellungen der automatischen Brandent-deckung, 10. Int. Konf. über Automatische Brandentdeckung AUBE'95, 4.-6. April 1995, Duisburg, Germany.
36. Schneider V., Aussagefähigkeit von Feldmodell-Simulationsrechnungen im Vergleich mit Modell- und Realversuchen hinsichtlich einer Bewertung der Personensicherheit, VdS-Fach-tagung Ingenieurmäßige Verfahren im Brandschutz, 27. April 1999, Köln, Germany.
37. Schneider V., Löffler S., Steinert C., Wilk E., Application of the compartment fire CFD model KOBRA-3D in fire investigation, Proceedings Interflam '99, Fire Science & Engineering Conference, Edinburgh 1999.
38. Schneider V., Reconstruction of experimental and actual fires in enclosed spaces using numerical simulation techniques, International Congress on Fire Safety in Hazardous Enclosed Spaces, 8./9.11.1999, Vernon, France.
39. Schneider V., Könnecke R., Evaluation of design fire scenarios - Numerical simulation vs physical modelling, Proceedings Interflam 2001, Fire Science & Engineering Conference, Edinburgh, 2001.
40. Schneider V., Mathematical and physical modelling of smoke spread in atria-type experimental set-ups, Proceedings Interflam 2007, Fire Science & Engineering Confe-rence, Royal Holloway University of London, 2007.
41. KOBRA-3D - Users' Guide, KOBRA-3D -Technical Reference.
42. Wu J.Z., Ludwig J.C., Flair User's Guide, Documentation fo Phoenics TR 313. Version 2010.
43. Ludwig J.C., Spalding D.B., Mortimore S., Starting with PHOENICS-VR., TR324. Version 2010.
44. Aksit M., Mackie P., Rubini P.A.,'Coupled Radiative Heat Transfer and Flame Spread Simulation in a compartment, Third International Seminar on Fire and Explosion Hazards, April 2000, Windermere, UK.
45. Lewis M.J., Moss J.B., Rubini P.A., Field Modelling of Non-Charring Flame Spread, Sixth Int Symp on Fire Safety Science, Poitiers, France, 1999.
46. Sanderson V., Rubini P.A., Moss J.B., The effect of vent size of a compartment fire: Numerical simulation and validation, Proceedings of the Eight International Conference - INTER-FLAM'99. Interscience Communications Ltd., 1999. ISBN 0-9532312-1-6.
47. Moss J.B., Rubini P.A., Coupled soot and radiation calculations in compartment fires, Proceedings of the Second International Conference on Fire Research and Engineering, Gaithers-burg, Maryland, USA, August 1997, Society of Fire Protection Engineers, Beth.
48. Lewis M.J., Moss J.B., Rubini P.A., CFD modelling of combustion and heat transfer in compartment fires, Proceedings of 5th International Symposium on Fire Safety Science, Melbourne, Australia, March 1997, International Association for Fire Safety Science, ISBN 4-99006255-5.
49. Rubini P.A., SOFIE- Simulation of Fires in Enclosures, Proceedings of 5th Inter-national Symposium on Fire Safety Science, Melbourne, Australia, March 1997, Inter-national Association for Fire Safety Science, ISBN 4-9900625-5-5.
50. SOFIE Version 3 Manual.
51. http://www.mottmac.com/skillsandservices/ software/stepssoftware/, Dost^p 10.07.2011.
52. Kuligowski E. D., Peacock R. D., A review of building evacuation models, Technical note 1417, Washington 2005.
53. Santos G., Aguirre B. E., A Critical Review of Emergency Evacuation Simulation Models, University of Delaware. Delware 2004.
54. Thompson P.A., Marchant E.W., Computer and Fluid Modelling of Evacuation, „Journal of Safety Science", 18 (1995), pp. 277-289.
55. Thompson P.A., Marchant E.W., A Computer Model for the Evacuation ofLarge Building Populations, „Fire Safety Journal", 24 (1995), pp. 131-148.
56. Thompson P.A., Wu J., Marchant E.W., Modelling Evacuation in Multi-storey Buildings with Simulex, „Fire Engineers Journal", vol. 56, no. 185, November 1996, pp. 6-11.
57. http://fseg.gre.ac.uk/exodus/index.html. Dost^p 10.07.2011.
58. http://www.legion.com/. Dost^p 10.07.2011.
59. http://www.ansys.com/Products/Simula-tion+Technology/Structural+Mechanics/AN-SYS+Mechanical. Dost^p 10.07.2011.
60. http://www.algor.info.pl/. Dost^p 10.07.2011.
61. http://www.simulia.com/products/abaqus_fea. html. Dost^p 10.07.2011.
62. http://www.nenastran.com/. Dost^p 10.07.2011.
63. http://www.argenco.ulg.ac.be/logiciels/SAFIR/ contacts.html. Dost^p 10.07.2011.
64. http://www.breeze-software.com/software/. Do-st?p 10.07.2011.
65. Eltgroth M. W., Complex Hazardous Air Release Model (CHARM®), Technical Reference Manual.
66. U.S. Enviromental Protection Agency, National Oceanic and Atmospheric, Aloha User's Manual 2007.
67. http: //www. dnv.com/services/software/products/ safeti/safetiqra/phast.asp. Dost^p 10.07.2011.
68. http: //www.tno.nl/content .cfm ?context=the -ma&content=markt_product&laag1=896&la-ag2=186&laag3=267&item_id=739. Dost^p 10.07.2011.
kpt. mgr inz. Mateusz Fliszkiewicz, absolwent dziennych studiow inzynierskich oraz zaocznych studiow magisterskich w Szkole Glownej Sluz-by Pozarniczej. Od kwietnia 2012 roku zatrudnio-ny na stanowisku asystenta w Zakladzie Informatyki i L^cznosci w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej. Czynny czlonek Stowarzyszenia Inzynierow i Tech-nikow Pozarnictwa.
kpt. mgr inz. Andrzej Krauze, absolwent dzien-nych studiow inzynierskich oraz zaocznych studiow magisterskich w Szkole Glownej Sluzby Pozarni-czej. Od wrzesnia 2011 roku zatrudniony na stano-wisku asystenta w Zakladzie Informatyki i L^czno-sci w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej. Czlonek Zarz^du Oddzialu Stolecznego Stowarzyszenia Inzynierow i Technikow Pozarnictwa.
dr hab. inz. Tadeusz Maciak, profesor Szkoly Glownej Sluzby Pozarniczej oraz kierownik Zakladu Informatyki i L^cznosci w tej szkole. Obj^l stanow-isko adiunkta w Katedrze Mediow Cyfrowych i Grafiki Komputerowej Wydzialu Informatyki Po-litechniki Bialostockiej.
