Wprowadzenie
Wykorzystanie analiz numerycznej mechaniki płynów, czyli tzw. symulacji pożaru (CFD), w procesie projektowania wielkokubaturowych obiektów logistycznych, praktykowane jest w Polsce już od kilku lat. Znaczenie oraz częstotliwość stosowania tego typu analiz stale rośnie. Rozszerza się także zakres ich stosowania. Obecnie symulacje CFD wykorzystywane są najczęściej w związku z projektowanie grawitacyjnych i mechanicznych systemów oddymiania.
Przydatność tego typu analiz jest jednak znacznie większa, czego dowodem maja być przedstawione przykłady.

Przykłady wizualizacji rozwoju pożaru w pomieszczeniu
Celem artykułu jest przytoczenie i krótkie omówienie trzech przykładów analiz z dotychczasowej praktyki autorów. Omawiane przykłady dotyczą niestandardowych sytuacji i rozwiązań projektowych w zakresie:

• projektowania grawitacyjnego systemu oddymiania w budynku magazynowym,
• współdziałania instalacji oddymiania oraz instalacji tryskaczowej,
• oceny rzeczywistej odporności ogniowej konstrukcji.

Przykład 1
W przykładzie tym omówiona została ocena skuteczności grawitacyjnego systemu oddymiania zaprojektowanego według NFPA 204 dla magazynu wysokiego składowania. Przeprowadzona analiza miała na celu weryfikację rozwiązania, polegającego na rezygnacji z kurtyny dymowej dzielącej przestrzeń każdej z trzech stref pożarowych magazynu na dwie strefy dymowe. Według przyjętego standardu projektowania wymagane było wykonanie kurtyny dymowej w osi budynku wzdłuż jego dłuższego boku (rys. 1), dzieląc analizowaną halę o szerokości 120,6 m na 6 stref dymowych.

Rys. 1. Wymagany podział na strefy dymowe

Z uwagi na przeszkody konstrukcyjne, brak technicznych możliwości montażu kurtyn dymowych w wyznaczonym obszarze oraz uwzględniając wymagania eksploatacyjne obiektu autor projektu systemu oddymiania dopuścił wykonanie systemu oddymiania bez kurtyn dymowych z zaznaczeniem, że rozwiązanie odbiegające od wymagań normy należy sprawdzić poprzez przeprowadzenie symulacji rozwoju pożaru, która zweryfikuje niestandardowe rozwiązanie. Obiekt podzielony został na trzy strefy oddymiania, oddzielone między sobą ścianami oddzielenia pożarowego (rys. 2).

Rys. 2. Niestandardowe rozwiązanie podziału na strefy dymowe podlegające analizie

W związku z powyższym wykonana została symulacja CFD, z uwzględnieniem otrzymanych danych na temat instalacji tryskaczowej oraz projektu systemu oddymiania grawitacyjnego. W analizowanej strefie przewidziano wykonanie 30 klap dymowych o wymiarach 1,8 x 2,5 m (łączna powierzchnia geometryczna klap wynosiła 135,0 m2) oraz 5 bram napowietrzających o wym. 3,0 x 3,2 m (łączna powierzchnia geometryczna otworów napowietrzających strefę wynosiła 48,0 m2). Model 3D, z oznaczeniem poszczególnych otworów przedstawia rysunek 3.

Rys. 3. Model 3D dla scenariusza z systemem oddymiania, (strzałki czerwone – oddymianie, strzałki zielone – napowietrzanie)

Założono lokalizację pożaru rozwijającego się u podstawy regału w centralnej części strefy pożarowej (dymowej). Na podstawie analizy przeznaczenia hali przyjęto pożaru o następujących parametrach:

• Pożar standardowy (Q = αt2) – bardzo szybki α = 0,188;
• Rozmiar pożaru stały – wymiary rzutu 2,4 x 4,0 m przy wysokości 5,5 m;
• Ciepło spalania spalanego materiału ustalono na poziomie 30 MJ/kg;
• Współczynnik produkcji sadzy – przyjęto wartość 0,08 kg/kg spalanego materiału.

 
Z uwagi na zastosowanie instalacji tryskaczowej w przeprowadzonej symulacji założono, że moc pożaru zależna będzie od szybkości zadziałania instalacji tryskaczowej. Przyjęto, iż po zadziałaniu instalacji tryskaczowej moc pożaru utrzymywać się będzie na stałym poziomie.
Przyjęty w symulacji przebieg pożaru przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4. Wartość mocy pożaru w czasie trwania symulacji

Przyjęty niekorzystny scenariusz zakładał, że instalacja tryskaczowa nie ugasi pożaru, lecz ograniczy jego rozwój. Na potrzeby określenia czasu potrzebnego do uruchomienia instalacji tryskaczowej, licząc od momentu powstania pożaru, przyjęto parametry charakterystyczne, takie jak wysokość montażu tryskaczy, szybkość zadziałania RTI, temperatura zadziałania i rozstaw siatki tryskaczowej. Oszacowano, przy pomocy programu komputerowego DETACT QS , że czas ten będzie wynosił co najmniej 218,6 sekund.

Rys. 5. Lokalizacja pożaru

Zgodnie z założeniami projektowymi, uruchomienie systemu oddymiania następować miało po zadziałaniu instalacji tryskaczowej (sygnał z ZKA) oraz co najmniej jednej czujki dymu w strefie, w której powstało pożar. Na podstawie powyższych analiz dla wykonywanej symulacji założono, iż otwarcie klap dymowych oraz otworów napowietrzających nastąpi około 250 sekundy trwania symulacji. Jako kryteria oceny wyników symulacji przyjęto konieczność zachowania skuteczności systemu oddymiania, tzn. stabilizację grubości warstwy dymu oraz temperatury po zadziałaniu instalacji tryskaczowej oraz zapewnienie spełnienia wymagań związanych z ewakuacją, widocznością i temperaturą. Na podstawie przyjętych założeń oszacowano, że Wymagany Czas Bezpiecznej Ewakuacji z przestrzeni hali nie powinien przekroczyć 320 sekund. W omawianym przypadku należy zwrócić uwagę na zastosowane uproszczenie dotyczące instalacji tryskaczowej. Wpływ instalacji tryskaczowej na rozwój pożaru został wzięty pod uwagę jedynie podczas szacowania mocy powstałego pożaru, nie uwzględniono natomiast wpływu tryskaczy na ochłodzenie gazów w kolumnie konwekcyjnej.

Ilustracja graficzną wyników symulacji

Rys. 6 a i b. Wyniki symulacji dla kryterium grubości warstwy dymu oraz widoczności. Wartości 0,3 oraz 0,8 dla współczynnika ekstynkcji światła odpowiadają zasięgowi widoczności dla elementów odbijających światło odpowiednio ok. 10 m i 5 m.

Rys. 7. Wyniki symulacji dla kryterium temperatury

Podsumowanie przykładu 1
Analiza otrzymanych wyników wykazała, że rezygnacja z kurtyn dymowych dzielących daną strefę pożarową na dwie strefy oddymiania nie spowodowała niekorzystnego wpływu na funkcjonowanie zaprojektowanego grawitacyjnego systemu oddymiania. Na tej podstawie zaprojektowany system został zaakceptowany przez wszystkie strony procesu projektowego i przekazany do realizacji.

Przykład 2

Kolejny przykład – analiza porównawcza dotycząca współdziałania instalacji oddymiania oraz instalacji tryskaczowej w budynku magazynowym – dotyczy problemu współdziałania instalacji oddymiania oraz instalacji tryskaczowej w budynku magazynowym z wymaganą funkcja przewietrzania. Problem ten pojawia się coraz częściej, m.in. w związku z występowaniem, interpretowanych jako sprzeczne, zapisów w standardach NFPA 204 oraz NFPA 13. W związku z tym faktem, często uznaje się, iż w przypadku stosowania w budynku instalacji gaśniczej wodnej z tryskaczami ESFR niedopuszczalne jest stosowanie przewietrzania z wykorzystaniem klap w dachu budynku. Niektórzy projektanci dopuszczają stosowanie przewietrzania pod warunkiem zastosowania w budynku systemu sygnalizacji pożarowej, co pozwala na automatyczne zamknięcie klap w przypadku wykrycia pożaru, a tym samym na poprawne zadziałanie instalacji tryskaczowej.

Rys. 8. Rzut fragmentu budynku

Przytoczona analiza porównawcza jest próbą określenia wpływy otwarcia klap dymowych w funkcji przewietrzania na rozkład temperatur w strefie podsufitowej hali w przypadku wystąpienia pożaru, w tym próby uzyskania odpowiedzi na pytanie czy pozostawanie części klap w pozycji przewietrzania w momencie powstania pożaru może mieć istotny wpływ na czas i sposób !J' zadziałania tryskaczy w konkretnym obiekcie budowlanym.

Rys. 9. Model 3D – analiza wpływu funkcji przewietrzania na działanie instalacji tryskaczowej

Na potrzeby analizy wykonane zostały dwie symulacje wg następujących scenariuszy. W symulacji numer 1 założono, iż klapy dymowe przeznaczone do przewietrzania w momencie powstania pożaru zlokalizowanego bezpośrednio pod jedną z klap, pozostają w pozycji zamkniętej. W symulacji numer 2 założono iż klapy dymowe przeznaczone do przewietrzania w momencie powstania pożaru zlokalizowanego bezpośrednio pod jedną z klap, pozostają w pozycji otwartej. Kopuły klap otwarte byty na wysokość 30 cm. W obu symulacjach, założono, iż w momencie powstania pożaru jedna z bram załadowczych w analizowanej strefie dymowej jest otwarta. W strefie podsufitowej, w miejscach lokalizacji tryskaczy umieszczono punkty pomiarowe rejestrujące zmiany temperatury.

Do symulacji przyjęto pożar o następujących parametrach:

• pożar ultra szybki (c = 0,188),
• maksymalna moc pożaru wyniosła 7,5 MW osiągnięta została po 200 sekundach.

Jako kryterium oceny wpływu otwarcia klap oddymiających z funkcją przewietrzania na czas zadziałania tryskaczy przyjęto parametr temperatury w strefie podsufitowej hali oraz temperaturę punktów kontrolnych odpowiadających lokalizacji tryskaczy.

Rys. 10. Model 3D – pozycja pożaru

Ilustracja graficzna wyników symulacji

Rys. 11. Wyniki symulacji. Temperatura w przekroju podłużnym przez źródło pożaru wyników symulacji

Rys. 12 a. Brak przewietrzania. Temperatura na wysokości montażu tryskaczy wzdłuż linii pomiarowej

Rys. 12 b. Przewietrzanie. Temperatura na wysokości montażu tryskaczy wzdłuż linii pomiarowej

Rys. 13.

Rys. 14.

Podsumowanie przykładu 2
Analiza wyników przeprowadzonych obliczeń dla dwóch przypadków pozwoliła na sformułowanie następujących wniosków:

• W przypadku, w którym w momencie powstania pożaru wszystkie klapy wentylacyjne były zamknięte, czas po jakim temperatura w strefie podsufitowej w sąsiedztwie klapy osiągnęła wartość 347 K (74 °C odpowiadającej temperaturze zadziałania tryskacza) wyniosła 118 sekund.
• W drugim przypadku, w którym w momencie powstania pożaru wybrane klapy dymowe (8 szt.) otwarte byty w funkcji wentylacyjnej, czas po jakim temperatura w strefie podsufitowej w sąsiedztwie klapy osiągnęła wartość 347 K (74 °C) wyniósł 159 sekund.
• Zaobserwowano, że czas potrzebny do osiągnięciem temperatury otwarcia tryskacza w sąsiedztwie klapy przewietrzającej dla przypadku z otwartymi klapami byt o ok. 40 sekund dłuższy niż w przypadku zamkniętych klap. Należy jednocześnie zaznaczyć, iż w przypadku braku napowietrzania zaobserwowana różnica byłaby znacząco mniejsza.
• W strefie podsufitowej występowały różnice temperatur mogące mieć istotny wpływ na czas i sposób zadziałania instalacji tryskaczowej.

W celu zniwelowania stwierdzonego niekorzystnego wpływu otwarcia klap przewietrzających na czas oraz sposób otwarcia tryskaczy, zalecono aby w przypadku pożaru klapy przewietrzające zamykane były automatycznie bezpośrednio (bez zwłoki czasowej) po wykrycia pożaru przez czujki dymu zlokalizowane w świetle klapy oddymiającej z funkcja przewietrzania. W założeniu system czujek powinien umożliwiać jednoczesne zamknięcie wszystkich klap w strefie pożarowej w wyniku wykrycia pożaru przez dowolną czujkę.
Należy zaznaczyć, iż przykład dotyczy wybranego scenariusza oraz określonych warunków zewnętrznych i wewnętrznych panujących w analizowanym obiekcie. Funkcja jaką pełnią obiekty magazynowo-logistyczne powoduje, że w wielu przypadkach należy rozważać więcej niż jeden scenariusz.
Opisany przykład pokazuje jakie problemy można napotkać przy projektowaniu urządzeń przeciwpożarowych w, z pozoru, prostych w budowie obiektach, jakimi są hale produkcyjno-magazynowe.
Należy pamiętać również o tym, że osoba dokonująca analizy wyników symulacji CFD musi być świadoma ilości i zmienności wielu parametrów fizycznych mających wpływ na wyniki końcowe danej analizy.

Przykład 3
Ostatni przykład dotyczy analizy rozkładu temperatur na potrzeby odporności ogniowej stalowych elementów konstrukcji dachu. W Polsce projektowanie konstrukcji na wypadek pożaru odbywa się w większości przypadków poprzez realizację wymagań przepisów technicznych oraz norm. Odporność ogniową konstrukcji budynku najczęściej określa się na podstawie badań elementów poddanych działaniu pożarów nominalnych, tzn. na podstawie podanych zależności temperatura–czas.
W regulacjach krajowych dopuszcza się jednak możliwość projektowania konstrukcji z wykorzystaniem tzw. koncepcji naturalnego bezpieczeństwa pożarowego. Metoda ta jest jednak pracochłonna i w związku z tym jej zakres stosowania był dotychczas znacznie ograniczony. Naturalne modele pożarów stosuje się głównie w dwóch przypadkach: podczas realizacji obiektów skomplikowanych, niemieszczących się w ramach wyznaczonych przez tradycyjne metody projektowania konstrukcji oraz wtedy, kiedy zastosowanie koncepcji naturalnego bezpieczeństwa pożarowego powoduje znaczne obniżenie kosztów realizacji inwestycji. Jest to możliwe, jeżeli uda się wykazać, że w celu odpowiedniego zabezpieczenia konstrukcji przed działaniem rzeczywistego (naturalnego) pożaru, mogą być wprowadzone rozwiązania znacznie tańsze niż w przypadku przyjęcia modelu pożaru nominalnego lub możliwa jest całkowita rezygnacja z zabezpieczania konstrukcji, która pomimo tego i tak spełniała będzie i tak wymagania nośności ogniowej.
Metoda projektowania bazująca na naturalnej koncepcji bezpieczeństwa pożarowego została przewidziana do stosowania w eurokodach. W metodzie tej wykorzystuje się naturalne modele pożaru, co pozwala uwzględnić wiele parametrów nie branych pod uwagę w modelach pożarów nominalnych. Przykładowe porównanie przebiegu pożaru naturalnego z krzywą standardową rozwoju pożaru pokazano na rysunku 15.

Rys. 15. Naturalne fazy rozwoju pożaru w porównaniu z krzywą pożaru standardowego

Proces projektowania uwzględniający wpływ na konstrukcję pożaru naturalnego dzieli się na następujące etapy:

• wybór właściwych scenariuszy pożarowych; należy tu przeprowadzić analizę projektu w celu zlokalizowania najbardziej niekorzystnych miejsc wystąpienia pożaru z uwagi na bezpieczeństwo konstrukcji budynku,
• wybór właściwego pożaru obliczeniowego oraz określenie jego przebiegu,
• obliczenie temperatury w wybranych elementach konstrukcyjnych,
• ocenę mechanicznego zachowania się konstrukcji poddanej oddziaływaniu pożaru.

Ostatni prezentowany przykład stosowania symulacji obejmuje swoim zakresem dwa pierwsze etapy.
Tym razem symulację CFD wykorzystano na potrzeby oceny możliwości rezygnacji z zabezpieczania stalowej konstrukcji nośnej dachu w budynku magazynu wysokiego składowania z zachowaniem przez tę konstrukcje wymaganej odporności ogniowej R15, poprzez potwierdzenie iż w wymaganym czasie nie zostanie przekroczone kryterium temperatury krytycznej wyznaczonej zgodnie z eurokodami.
Celem analizy była wyznaczenie temperatury gazów pożarowych w bezpośrednim sąsiedztwie analizowanej konstrukcji dachu z uwzględnieniem najbardziej niekorzystnego scenariusza rozwoju pożaru. Przyjęto, jako bezpieczne założenie upraszczające, iż wyznaczona w ten sposób temperatura gazów pożarowych stanowiła będzie podstawą do oceny nośności ogniowej nośnej konstrukcji dachu.
Analiza komputerowa rozkładu temperatur gazów pożarowych prowadzona była na dwóch rodzajach modeli komputerowych, modele „duże" – kompleksowe obejmujące całą geometrię analizowanego obszaru wraz z systemami wentylacji oraz tryskaczowym, oraz na modelach „małych" odzwierciedlających: pożar, element konstrukcyjny oraz tryskacze (modele do kalibracji ustawień w scenariuszach docelowy). W przeciwieństwie do poprzednich przykładów tym razem w symulacji wykorzystano model tryskaczy. Przedmiotem analizy był rozkład temperatur w przestrzeni pod dachem budynku, w obszarach gdzie rozwój pożaru może skutkować zwiększeniem temperatury konstrukcji stalowej.

Rys. 16. Przykładowy „mały" model (kalibracyjny)

W związku z faktem, iż kluczowym kryterium w niniejszej analizie jest temperatura w strefie podsufitowej, pod uwagę wziąć należy fakt, iż walidacje zastosowanego oprogramowania wykazały możliwość różnicy w oszacowaniu temperatur w strefie podsufitowej do 20%. Na rysunku przedstawiono trójwymiarowy model wykonany na potrzeby symulacji.

Rys. 17. Model 3D strefy dymowej magazynu będącej przedmiotem analizy

W celu zbadania rozkładu temperatur w strefie podsufitowej, wybrano zjawiska pożarowe stwarzające największe zagrożenie dla konstrukcji. Symulacje rozwoju pożaru w projektowanym obiekcie wykonano z niekorzystnym, prawdopodobnym położeniem pożaru.
W analizowanym obiekcie przewidziano zastosowanie mechanicznej wentylacji oddymiającej oraz instalacji tryskaczowej międzyregałowej oraz tryskacze podstropowe.

Rys. 18. Przekrój – rozmieszczenie tryskaczy

Do oceny mocy pożaru, który może rozwinąć się na najwyższej półce regałów posłużono się programem komputerowym DETACT T2. Przeprowadzono analizę, w której uwzględniono parametry instalacji tryskaczowej.
Dla przyjętej w analizie krzywej szybkości rozwoju pożaru „ULTRA-FAST" – bardzo szybka, aktywacja pierwszego tryskacza nastąpi po około 98 sekundach, kiedy pożar osiągnie moc około 1825 kW.
Po dokonaniu powyższej analizy założono, iż rozwój pożaru nie zostanie zahamowany błyskawicznie, i jego moc ustabilizuje się na poziomie 3 600 kW (bardzo szybki rozwój pożaru czas potrzebny na ustabilizowanie charakterystyki; tryskacze nie znajdują się w bezpośredniej bliskości stropu, ale w odległości do 45 cm, co jest korzystne biorąc pod uwagę pożar międzyregałowy i związany z nim podsufitowy strumień ciepła, z uwagi jednak na stosunkowo niewielki pożar pod stropem układ taki powodować może opóźnienie zadziałania tryskaczy).

Rys. 19. Wykres mocy pożaru dla scenariusza pożaru w magazynie

Przyjęto, iż największy wpływ pod względem oddziaływania na konstrukcję dachu będzie miał pożar zlokalizowany na najwyższej półce magazynu. Pożar rozwijając się będzie oddziaływał temperaturowo na elementy konstrukcyjne, kontrola pożaru może nastąpić dopiero po aktywacji tryskaczy podstropowych.

Podsumowanie przykładu 3
Zaobserwowano znaczący przyrost temperatury gazów pożarowych na wysokości dolnego pasa kratownicy, maksymalna odnotowana temperatura gazów pożarowych to około 420 °C, Ze względy na niewielką odległość pomiędzy dolną belką kratownicy, a obszarem składowania zaobserwowano przyrost temperatury mogący powodować przekroczenie wartości temperatury krytycznej w elementach konstrukcji dachu (oszacowanej na podstawie obliczeń na około 520 °C).
Powyższe wskazuje na konieczność zabezpieczenia dolnej pasa kratownicy do wymaganej klasy R15 i rezygnacji z zabezpieczenia pozostałych elementów kratownicy. W celu określenia obliczeniowej temperatury w wybranych elementach konstrukcyjnych oraz dokonania szczegółowej oceny mechanicznego zachowania się konstrukcji poddanej oddziaływaniu pożaru możliwe jest wykonania dalszych analiz numerycznych.

Ilustracja graficzna wyników symulacji

Rys. 20. Aktywacja kolejnych tryskaczy; pierwszy tryskacz aktywował się ponad pożarem, natomiast kolejne aktywowały się przy ścianach, co związane jest z kumulacją ciepła

Rys. 21. Aktywacja kolejnych tryskaczy

Rys. 22. Izopowierzchnia reprezentująca punkty o temperaturze 400 °C; dolna belka kratownicy znajduje się zasięgu obszaru o temperaturze przekraczającej 400 °C

Rys. 23. Odczyt temperatury z powierzchni elementu

Podsumowanie
Przedstawione przykłady pokazują szeroki zakres możliwości wykorzystania analiz numerycznej mechaniki płynów w procesie projektowania systemów w ochronie przeciwpożarowej. W najbliższym czasie można spodziewać się wzrostu wykorzystania symulacji w związku z możliwością projektowania konstrukcji na warunki pożarowe zgodnie z przytoczoną procedurą wynikającą z eurokodów. Należy jednak pamiętać, że w ślad za coraz większym stopniem szczegółowości i zaawansowania wykonywanych analiz numerycznych muszą iść również kwalifikacje osób je wykonujących.

St. kpt. inż. Paweł Wróbel – rzeczoznawca ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych, wykładowca w Szkole Głównej Służby Pożarniczej (współpraca: kpt. mgr inż. Jakub Okólski, mgr inż. Łukasz Ostapiuk)

fShare

Tweet