CC BY
95
st. kpt. dr inz. Norbert TUSNIO Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej,
Katedra Podstaw Rozwoju i Gaszenia Pozarow,
Zaklad Badania Przyczyn Pozarow st. kpt. mgr inz. Damian SALETA
Jednostka Ratowniczo-Gasnicza Panstwowej Strazy Pozarnej w Bytomiu
MODELOWANIE ROZWOJU POZARU W MIESZKANIACH PRZY UZYCIU PROGRAMU CFAST
Fire spread modeling in flats using CFAST
Streszczenie
W artykule przedstawiono wykorzystanie programu CFAST do modelowania rozwoju pozaru mieszkania, ktory mial miejsce 9 czerwca 2010 roku w Bytomiu. Konsekwenj szybkiego rozwoju pozaru byly tragiczne skutki tego zdarzenia. Uzyskane wyniki s^. w znacznym stopniu zbiezne z faktycznym przebiegiem pozaru. Przedstawiony tok obliczen jest przydatny w trakcie modelowania przebiegu pozarow w pomieszczeniach mieszkalnych. W przeprowadzonych badaniach odnotowano dobr^. zgodnosc obliczonego polozenia warstwy gor^cej ze stanem faktycznym zarejestrowanym na zdj^ciu kamienicy w czasie pozaru. Obliczenia wykazaly obnizenie si§ warstwy gor^cej w pokoju do poziomu 2,18 m, natomiast zdj^cie obrazuje wydobywanie si§ dymu na wysokosci gornej cz^sci okna. Dost^pne materialy fotograficzne przebiegu pozaru i sladow popozarowych (okopcenia, stopienia i nadpalenia materialow wyposazeniowych i wykonczeniowych) stanowi^. dobr^. baz§ do weryfikacji zalozonego scenariusza pozaru i wprowadzonych danych wejsciowych. Nie osi^gni^to zgodnosci obliczonego st^zenia tlenku w^gla w pokoju ze stwierdzon^. przyczyn^. zgonu znajduj^cego si§ w tym pomieszczeniu lokatora. Uzyty model pozaru nie zostal zaprojektowany z przeznaczeniem do badania pozarow z pocz^tkow^. faz^. w postaci spalania bezplomieniowego tak, jak mialo miejsce w przypadku przedmiotowego pozaru.
Summary
The paper presents the application of CFAST to model the apartment fire spread that occurred on 9th June , 2010 in Bytom. The consequences of the rapid growth of fire were tragic. The results obtained are largely consistent with the real fire spread. The presented calculation procedure is useful in dwelling fire modeling. Good agreement of the calculated position of the hot layer with the field observations is achieved. Calculations have shown the hot layer decreasing in the room to the level of 2.18 m, while the picture of the building during
fire shows the extraction of smoke at the top of the upper window. Available photographic materials and traces of fire spread (fume stains, melt of dwelling equipment) are a good basis for the verification of the assumed fire scenario and assumed input data. There has been no compliance of the calculated concentrations of carbon monoxide with a known cause of death occupant found in the room. The reason is that applied fire model was not designed for initial phase of fire in the form of flameless combustion simulation, as in the case of the presented fire.
Slowa kluczowe: modelowanie komputerowe, model strefowy pozaru;
Keywords: computer modeling, zone fire model;
Metody modelowania komputerowego procesów spalania znajduj^ coraz powszechniejsze zastosowanie w prognozowaniu rozwoju pozarów w pomieszczeniach. Sprzyja temu systematyczny wzrost mocy obliczeniowej i pamiçci operacyjnej komputerów. Opracowane dotychczas programy w pol^czeniu z coraz bardziej wydajnym sprzçtem pozwalaj^. ze znaczn^ dokladnosci^ prognozowac rozwój pozaru umozliwiaj^c tym samym szacunkowe okreslenie czasu niezbçdnego do ewakuacji ludzi z zagrozonych pomieszczen. Pozwala to przewidziec maksymaln^. odleglosc i czas dojazdu ekip ratunkowych na miejsce zdarzenia. Przedstawione w opracowaniu argumenty nie tylko przekonuj^, ale utwierdzaj^. co do slusznosci stosowania wymienionych metod badawczych. Uzyskane informacje i wiedza na temat badanych zjawisk pozwol^ nie posiadaj^cemu kwalifikacji zawodowych czytelnikowi zrozumiec istotç zagadnienia, z kolei strazakom umozliwi^. poszerzenie wiedzy na temat mechanizmów rz^dz^cych pozarem. Jest to wiedza niezbçdna podczas prowadzonych dzialan ratowniczo-gasniczych, np. przy ocenie stopnia zagrozenia ludzi i podejmowaniu decyzji, od których niejednokrotnie zalezy ludzkie zycie.
Dziçki zastosowaniu metod komputerowych mozliwe jest zblizone do rzeczywistosci przedstawienie warunków panuj^cych w srodowisku pozaru bez koniecznosci prowadzenia tego typu badan w warunkach rzeczywistych. Wynika z tego korzysc w postaci ograniczenia kosztów zwi^zanych z przygotowaniem doswiadczalnych stanowisk badawczych lub strat materialnych powodowanych samym pozarem. Jednakze z uwagi na koniecznosc przeprowadzenia przez komputer bardzo trudnych operacji matematycznych, oprócz odpowiedniego oprogramowania wymagany jest równiez sprzçt komputerowy o duzej mocy obliczeniowej, który bçdzie gwarantowal rzetelnosc otrzymanych wyników.
Ponadto, nie bez znaczenia jest fakt, iz kazdy rzeczywisty pozar charakteryzuje siç zmiennosci^ i zlozonosci^ przebiegu w stosunku do danych przyjçtych na potrzeby jego symulacji [4]. Dlatego zdaniem autorów korzystne byloby zastosowanie modelowania komputerowego z wykorzystaniem znanych od ponad 20 lat modeli strefowych do prognozowania rozwoju rzeczywistego pozaru oraz na potrzeby przeprowadzania szczególowych analiz przebiegu dzialan ratowniczo-gasniczych a takze wstçpnego ustalania okolicznosci, które przyczynily siç do powstania pozaru. Skonfrontowanie uzyskanych wyników z dokumentaj dotycz^c^. przebiegu i skutków pozaru oraz z wiedz^ strazaków bçd^cych uczestnikami akcji, z pewnosci^. ulatwi wydawanie zalecen pokontrolnych przez wlasciwe w tej kwestii komórki a takze usprawni procedury dochodzen popozarowych. Jednym z pierwszych analizowanych w ten sposób w Polsce zdarzen byl pozar Teatru Polskiego we Wroclawiu w 1994 r., który calkowicie zniszczyl widowniç teatru [7]. Zastosowanie modelu matematyczno-komputerowego w analizie czterech znacz^cych pozarów w Polsce: kina w Slawnie (1986), Teatru Narodowego w Warszawie (1985), restauracji „Kaskada” w Szczecinie (1981) i fabryki FSO (1987) podano w [6]. Przykladem zastosowania modelowania komputerowego za granice byly analizy pozaru na stacji metra Kings Cross w Londynie w 1987 r., w wyniku którego zginçlo 31 osób [2]. Innym podlegaj^cym analizom wydarzeniem byl skutkuj^cy smierci^. trzech strazaków pozar trzypiçtrowego budynku na Manhattanie w Nowym Jorku w 1994 r., podczas którego wyst^pilo grozne zjawisko backdraft [1]. Od polowy lat 90-tych XX wieku podjçto próby zastosowania tego rodzaju modelowania w profilaktyce pozarowej.
Do weryfikacji przeprowadzonych obliczen moze sluzyc dokumentacja pozaru w postaci filmu nagranego przez osoby postronne, informacje uzyskane w wyniku czynnosci kontrolno-rozpoznawczych, ustalenia bieglego z zakresu pozarnictwa, który do opracowania opinii wykorzystuje zeznania swiadków zdarzenia, dokumentacjç fotograficzn^ wykonan^. w trakcie trwania i po pozarze oraz spostrzezenia ratowników - uczestników akcji ratowniczo-gasniczej.
Charakterystyka zagrozen zabudowy miejskiej
Jedn^ z przyczyn duzej liczby pozarów w zabudowie miejskiej na Sl^sku jest bardzo zly stan techniczny wielu starych kamienic, z których znaczn^ czçsc stanowi^. pustostany. Oprócz osiedli mieszkaniowych z wielkiej plyty, w krajobraz miast tego regionu wkomponowane jest starsze budownictwo oficynowe. Jego charakter powoduje, ze dojazd
strazy pozarnej do miejsca pozaru jest cz^sto utrudniony. W charakterystyk^ doskonale wpisuje si§ b^dycy przedmiotem przeprowadzonej analizy przypadek tragicznego pozaru mieszkania, ktory mial miejsce w centrum Bytomia w czerwcu 2010 roku (ryc. 1).
Ryc. 1 . Widok okien oficyny przy pl. Grunwaldzkim w Bytomiu w czasie pozaru w dn. 09.06.2010 r. o godz. 5.10 (ze zbiorow Komendy Miejskiej PSP w Bytomiu) Fig. 1. Windows of back premises at Grunwald Square in Bytom in fire on 06.09.2010, 5.10 a.m. (from the collection of the Municipal State Fire Service in Bytom)
Konstrukcja budynku kamienicy przy Placu Grunwaldzkim w Bytomiu
Pozar zostal zauwazony w oficynie budynku czterokondygnacyjnego w Bytomiu przy pl. Grunwaldzkim, mieszczycego si§ w zwartej zabudowie. Z karty zdarzenia strazy pozarnej nr 1205001-1305 wynika, ze jest to budynek mieszkalny wielorodzinny z funkcjami uslugowymi na parterze, gospodarczym podpiwniczeniem oraz nieuzytkowym strychem. Kolejne dane na temat obiektu ustalone przez funkcjonariuszy KM PSP w Bytomiu w trakcie przeprowadzonych po pozarze czynnosci kontrolno-rozpoznawczych [8] wskazujy, ze budynek sklada si§ z trzech cz^sci o zroznicowanej wysokosci:
• pi^ciokondygnacyjna cz^sc frontowa o pow. uzytkowej 536,7 m2 i kubaturze 2521 m3,
• czterokondygnacyjna oficyna I o powierzchni uzytkowej 445,4 m2 i kubaturze 2352
m3,
• czterokondygnacyjna oficyna II (miejsce zdarzenia) o powierzchni uzytkowej 354,14 m2 i kubaturze 2184,7 m3.
Zlokalizowane na parterze budynku dwie restauracje nie posiadajy polyczenia komunikacyjnego z cz^sciy mieszkalny a budynek tworzy jedny stref§ pozarowy, z uwagi na polyczenie komunikacyjne przez strych oraz usytuowanie otworow okiennych. Budynek ma tradycyjny murowany konstrukcja, z drewnianymi stropami mi^dzykondygnacyjnymi oraz
dachem krytym na calej polaci papy. Wewnytrz znajdujy siç klatki schodowe o konstrukcji stalowej z drewnianymi stopnicami. Standardowo budynek wyposazony jest w instalacjç elektryczny z przeciwpozarowym wylycznikiem prydu zlokalizowanym przy zlyczu kablowym w bramie przejazdowej i oznakowanym znakiem bezpieczenstwa. Ponadto obiekt budowlany wyposazony jest w instalacjç gazu ziemnego z glównym kurkiem na scianie frontowej oraz instalacjç wodny i kanalizacyjny. W czçsci frontowej znajduje siç 9 lokali mieszkalnych i 2 lokale uzytkowe na parterze. W oficynie I znajduje siç 7 lokali mieszkalnych, a w oficynie II cztery lokale mieszkalne, z czego na parterze jeden wylyczony z eksploatacji ze wzglçdu na zly stan techniczny. Budynek wzniesiony zostal w 1895 roku. Powierzchnia mieszkania objçtego pozarem wynosi 36,5 m2, a jego kubatura 127,5 m3.
Z ustalen bieglego powolanego do zbadania przyczyn tego pozaru wynika, ze do oficyny prowadzi brama przejazdowa przez kamienicç o szerokosci 2,5 m i dlugosci 14 m [5].
Rozwój pozaru i przebieg akcji ratowniczo-gasniczej
Powiadomienie o pozarze mieszkania w centrum Bytomia na pl. Grunwaldzkim w oficynie budynku nastypilo 9 czerwca 2G1G roku, o godz. 452. Po dojezdzie do miejsca zdarzenia dowódca z uwagi na duze zadymienie wezwal dodatkowe sily i srodki. Widok zastany po przyjezdzie wskazywal na zagrozenie zycia ludzkiego. Tymczasem pozar przechodzil w kolejny fazç rozwoju, stajyc siç jeszcze bardziej groznym. Swiadczyly o tym klçby czarnego dymu wydobywajyce siç z otwartego okna na drugim piçtrze. Na zewnçtrzny scianç budynku z ogarniçtego pozarem pomieszczenia wyszly dwie osoby, kobieta i mçzczyzna, które utrzymywaly siç tylko parapetu okna. Zachowanie tych ludzi wskazywalo, ze pozar odciyl im drogç ucieczki i osiygajyc bardzo wysoky temperatura zmusil do opuszczenia mieszkania przez okno.
W trakcie dzialan ratowniczych w pierwszej kolejnosci uzyto drabiny D14W. W chwili tej pozarem objçte bylo cale mieszkanie, a plomienie wydobywaly siç juz na klatkç schodowy przez przepalone i otwarte drzwi wejsciowe. Powodowalo to zadymienie klatki schodowej oraz pomieszczen powyzej drugiego piçtra (ryc. 1).
Mçzczyzna utrzymujycy siç dotychczas w oknie spadl na wchodzycego po drabinie strazaka, obydwaj uderzyli o ziemiç odnoszyc obrazenia. Po chwili kobieta trzymajyca siç parapetu równiez odpadla. Stojycy na dole strazak próbowal bezskutecznie chwycic spadajycy kobietç, spowodowalo to, ze oboje upadli na ziemiç. Poszkodowanym pierwszej kwalifikowanej pomocy medycznej udzielili strazacy PSP. W trakcie dogaszania i przeszukiwania mieszkania
obj?tego pozarem znaleziono na fotelu w pokoju w pozycji siedzycej nieprzytomnego m?zczyzn? bez czynnosci zyciowych. Po przygaszeniu plomieni na klatce schodowej, przystypiono do przeszukiwania pomieszczen na trzecim pi?trze oraz poddaszu. W trakcie tych czynnosci w mieszkaniu na trzecim pi?trze odnaleziono dwie nieprzytomne osoby, ktore natychmiast ewakuowano i przekazano lekarzowi pogotowia ratunkowego. Po opanowaniu sytuacji przystypiono do ewakuacji osob znajdujycych si? w sysiednich klatkach schodowych. W sumie do miejsca ewakuacji, gdzie byl podstawiony autobus, ewakuowano 52 osoby.
Ryc. 2 . Rzut mieszkania nr 21 polozonego na II pi?trze oficyny w Bytomiu przy pl. Grunwaldzkim 7. A - klatka schodowa, B - lazienka, C - kuchnia, D - pokoj,
E - mieszkanie sysiednie, 1 - spalona szafka, 2 - nieczynny piec kuchenny,
3 - spalony fotel, miejsce odnalezienia zwlok [5]
Fig. 2. Plan of the flat No 21 situated on 2nd floor of back premises in Bytom at Grunwaldzki Square No 7. A - staircase, B - bathroom, C - kitchen, D - living-room,
E - neighbouring flat, 1 - burnt cupboard, 2 - inactive kitchen stove, 3 - burnt armchair, place where corpse was found [5]
Opis zdarzenia w kontekscie przyczyny i zagrozenia
Wedlug bieglego sydowego w mieszkaniu nr 21 polozonym na drugim pi?trze oficyny w Bytomiu przy Placu Grunwaldzkim 7 w czasie przebywania w nim 3 osob (spiycych i po spozyciu alkoholu) doszlo do zainicjowania ognia na poziomie szafki kuchennej stojycej przy nieczynnym piecu kuchennym w kuchni. Doszlo do zaproszenia ognia i powolnego procesu spalania w fazie tlenia z wydzieleniem duzej ilosci dymow i gazow pozarowych. Rozprzestrzeniajyc si? w obj?tosci mieszkania spowodowaly one
wybudzenie spiycego m?zczyzny, ktory wszczyl alarm i obudzil swy konkubin? oraz drugiego z m?zczyzn. W pokoju bylo silne zadymienie a w kuchni (na jedynej drodze ucieczki z mieszkania) widoczne byly plomienie co spowodowalo, ze kobieta i m?zczyzna wyszli przez okno na zewn?trzny parapet okienny i w konsekwencji juz w czasie obecnosci przybylych strazakow odpadli powodujyc obrazenia usilujycych ratowac ich strazakow. Natomiast ostatni m?zczyzna pozostal w pokoju na fotelu, gdzie ulegl smiertelnemu zaczadzeniu a jego zwloki cz?sciowemu spaleniu.
O prawdziwosci przedstawionej wersji wydarzen swiadczy przede wszystkim spojne zeznania poszkodowanych, swiadkow i strazakow oraz to, ze interweniujycy strazacy jako przypuszczalny przyczyn? wskazali zaproszenie ognia w mieszkaniu (papierosy, zapalki). Wyeliminowano wst?pnie przyczyny tzw. eksploatacyjne zwiyzane z poborem energii elektrycznej oraz wady grzewczo-kominowe. Wystypienie silnego zadymienia mieszkania i klatki schodowej w oficynie swiadczylo o powolnym procesie spalania w fazie tlenia, co czyni malo prawdopodobny tez?, ze doszlo do podpalenia z uzyciem np. cieczy palnej.
Jedynym czynnikiem rozrozniajycym zaproszenie ognia i podpalenie jest szybkosc procesu, ktora w przypadku podpalenia jest o wiele wi?ksza niz w przypadku zaproszenia. W omawianym przypadku slady sugerujyce podpalenie z uzyciem cieczy palnej nie zostaly ujawnione.
Ryc. 3. Poglydowy przekroj oficyny z zaznaczeniem miejsca powstania pozaru, jego zasi?gu i zadymienia. 1 - poziom piwnic, 2 - mieszkania, 3 - mieszkanie nr 21,
4 - klatka schodowa [5]
Fig. 3. Demonstrative horizontal section of back premises with start of fire, its radius and amount of smoke. 1 - level of cellars, 2 - flats, 3 - flat No 21, 4 - staircase [5]
W trakcie oglçdzin powolany do zbadania okolicznosci i przyczyn pozaru biegly sydowy ustalil nastçpujyce fakty stanowiyce podstawç do budowy modelu rozwoju pozaru [5]:
• miejscem zainicjowania pozaru jest mieszkanie nr 21 polozone na drugim piçtrze (czçsc poludniowa klatki schodowej),
• wyzej wymienione mieszkanie sklada siç z: kuchni z oknem wschodnim o wymiarach 4,7 x 3,65 m z wydzielonym pomieszczeniem lazienki o wymiarach 1,15 x 2,5 m oraz pokoju o wymiarach 4,7 x 4,3 m i wysokosci 3,28 m z oknem w scianie wschodniej, które zostalo intensywnie okopcone na skutek trwania procesu spalania róznych materialów palnych i mebli,
• na klatce schodowej poziomu drugiego piçtra wystçpujy slady uszkodzen futryn drzwi i tynków sciennych oraz sufitowych o duzej intensywnosci w rejonie drzwi do mieszkania nr 21 oraz uszkodzonych w wyniku spalenia drzwi do sysiedniego mieszkania,
• skrzynka zabezpieczenia prydowego zostala okopcona ze stopieniem elementów obudowy liczników a w miejscu wskazanym jako przynalezne do mieszkania nr 21 brak jest licznika elektrycznego i widoczne sy przewody ze stopiony izolacjy
• stwierdzono intensywne okopcenia klatki schodowej w kierunku wyzszej kondygnacji,
• zainicjowanie ognia nastypilo w kuchni w obszarze drewnianej szafki stojycej obok nieczynnego pieca kuchennego przy zachodniej scianie,
• nastypilo uszkodzenie tynku sciennego i powierzchniowe wypalenie sufitu trzcinowo-wapiennego (na powierzchni 2 x 2 m) bez jego przepalenia w rejonie pieca kuchennego i spalonej szafki,
• widoczne sy wypalenia drewnianego wydzielenia lazienki najintensywniejsze od strony pieca kuchennego oraz ramy okiennej i konstrukcji okna,
• w scianie poludniowej kuchni znajduje siç otwór drzwiowy prowadzycy do pokoju a wypalenia ramy drzwiowej sy intensywniejsze od strony spalonej kuchni,
• w pokoju w odleglosci 1,1 m od sciany zachodniej i 1,3 m od sciany pólnocnej stoi fotel tapicerski (jest to miejsce ujawnienia zwlok),
• caly pokój jest intensywnie okopcony z uszkodzeniami tynku sufitowego nad drzwiami,
• widoczne sy okopcenia wewnçtrzne klatki schodowej w kierunku wyzszego piçtra i na poziomie nizszego piçtra.
Zbyt pózne powiadomienie strazy pozarnej o zaistnialym zdarzeniu doprowadzilo do szybkiego rozwoju pozaru. W wyniku pozaru stwierdzono nastçpujyce straty ludzkie: ofiara smiertelna (jeden lokator), poszkodowani w wyniku upadku (2 lokatorów), zatrucie gazami pozarowymi (4 lokatorów), poszkodowani w wyniku upadku lub próby zlapania spadajycej osoby (2 strazaków) oraz odwodnienie i oslabienie organizmu (jeden strazak). W czasie pozaru doszlo do silnego zadymienia klatki schodowej oficyny w stopniu zagrazajycym jej lokatorom, co skutkowalo koniecznosciy ewakuacji wszystkich 52 osób.
Wykorzystanie programu CFAST w analizie przedmiotowego pozaru
CFAST (ang. Consolidated Fire And Smoke Transport model) to komputerowy model strefowy pozaru przeznaczony do analizy warunków i oddzialywania pozaru na wielopomieszczeniowe struktury budowlane. Program przystosowany jest do obliczania czasu przemieszczania si? dymu i gorycych gazów pozarowych w danym budynku podczas pozaru. Program analizujyc warunki w pomieszczeniu, dzieli je na warstwy. Temperatura, wlasciwosci dymu i st?zenie gorycych gazów pozarowych w takiej strefie przyjmowane sy przez program jako usrednione. CFAST dzieli dane pomieszczenie na dwie warstwy -warstw? gorycy (górny) i chlodny (dolny), wi?c warunki mogy si? jedynie róznic mi?dzy warstwy podsufitowy a podlogowy. Za pomocy modelu uzyskuje si? obliczenia parametrów pozaru takich jak temperatura, zasi?g widzialnosci, st?zenia gazów. Program CFAST jest aplikacjy stworzony przez amerykanski instytut NIST [3].
Walidacja doswiadczalna modelu strefowego CFAST wskazuje na zgodnosc wyników generowanych przez program z parametrami zmierzonymi podczas testów w pelnej skali: dla pojedynczego pomieszczenia - 18%, dla pojedynczego pomieszczenia z pozarem materialów wykonczeniowych sciennych - 20%, dla ukladu trzech pomieszczen z korytarzem - 28%, natomiast w przypadku budynku wielopi?trowego - 33% [3]. Podana stosunkowo duza dokladnosc obliczen programu wynika z zastosowania w kodzie zaleznosci empirycznych i jest wystarczajyca do analizy rozwoju pozarów w pomieszczeniach. Modele strefowe sluzy do przyblizenia pierwszego rz?du procesów pozaru, dajy mozliwosc prognozowania dynamiki rozwoju pozaru dla danej sytuacji pozarowej po stwierdzeniu adekwatnosci modelu, cechujy si? wzgl?dny prostoty i szybkosciy obliczen (niezb?dny na potrzeby róznych dziedzin pozarnictwa).
Elementy skladowe modelu pomieszczen
W ramach tworzenia modelu w programie CFAST zaprojektowano geometri? zlozony z pi?ciu pomieszczen podanych w tabeli 1.
Tabela 1.
Pomieszczenia w modelu pozaru
Table 1.
Rooms in the model of fire
Nr pomieszczenia Wymiary Wysokosc Rodzaj pomieszczenia
1 1,15 x 2,2 m З,28 m czçsc kuchni, gdzie powstal pozar
2 2,5 x 4,8 m З,28 m pozostala czçsc kuchni „C”
З 4,З x 4,8 m З,28 m pokój „D”
4 1,15 x 2,6 m З,28 m lazienka „B”
5 2 x 5,З m 10 m fragment klatki schodowej „A”
Pomieszczenia polyczone sy ze soby otworami drzwiowymi i wyposazone sy w okna jak podano w tabeli 2.
Tabela 2.
Otwory wentylacyjne w modelu pozaru
Table 2.
Ventilation openings in the model of fire
Nr otworu Nr pomieszczen Wymiary Rodzaj otworu Czas otwarcia
1 2-З 0,9 x 2 m drzwi do pokoju 600 s
2 1-2 0,9 x 2 m drzwi w kuchni 0 s
З 1-4 0,8 x 2 m drzwi do lazienki 90 s
4 1-5 0,9 x 2 m drzwi na klatkç schodowy 900 s
5 З 1,25 x 2,З m okno w pokoju 600 s
6 2 1,25 x 2,З m okno w kuchni З0 s
7 4 0,З x 0,6 m okno w lazience 170 s
8 5 1,25 x 2,З m okno na klatce schodowej 0 s
Ogólny widok modelu zaprezentowano na ryc. 4.
Ryc. 4 . Widok modelu budynku wizualizowany w programie Smokeview [badania wlasne] Fig. 4. Model of building visualised in Smokeview program [own research]
Scenariusz pozaru
Za pierwotne zrodlo pozaru przyj?to drewniany szafk?, ktora charakteryzuje si? maksymalny szybkosciy wydzielania ciepla wynoszycy 4500 kW w czasie 170 s. Pozar rozprzestrzenia si? nast?pnie na caly kuchni?, gdzie osiyga staly moc 1000 kW typowy dla pozarow obiektow mieszkalnych. Czas trwania symulacji ustalono na 1800 s (30 min).
Wyniki symulacji
Wyniki symulacji przedstawiono na kolejnych wykresach (ryc. 5-8).
Czas [s]
Ryc. 5. Temperatura warstwy gorycej w funkcji czasu w pomieszczeniach oznaczonych
zgodnie z ryc. 4 [badania wlasne]
Fig. 5. Temperature of hot layer in time function in rooms marked in accordance with fig. 4
[own research]
Najwyzsza temperatura warstwy gorycej 1145 K (872 °C) zostala osiygni?ta w cz?sci kuchni, gdzie powstal pozar. W pozostalej cz?sci kuchni oraz lazience najwyzsza temperatura miala wartosc odpowiednio 740 K (467 °C) i 603 K (330 °C). Maksymalna temperatura w pokoju wynosila 369 K (96 °C), natomiast w górnej cz?sci klatki schodowej 353 K (80 °C).
5
\S
V3
\2
V 4
900 Czas [s]
Ryc. 6 . Zmiana polozenia warstwy gorycej w pomieszczeniach oznaczonych zgodnie z ryc. 4
[badania wlasne]
Fig. 6. Change of position of hot layer in accordance with fig. 4 [own research]
Zmiana polozenia warstwy gorycej przebiegala podobnie w cz?sci kuchni, gdzie powstal pozar i w pozostalej cz?sci kuchni osiygajyc pod koniec czasu symulacji odpowiednio wartosci 1,52 i 1,58 m. Podobnie w lazience polozenie warstwy gorycej spadlo do wartosci 1,34 m. W pokoju warstwa goryca obnizyla si? do poziomu 2,18 m a klatka schodowa wypelnila si? warstwy dymu o grubosci 6,38 m.
te. 4 ^3 Vi
900 Czas [s]
Ryc. 7 . Zmiana zasi?gu widzialnosci w pomieszczeniach oznaczonych zgodnie z ryc. 4
[badania wlasne]
Fig. 7. Change of radius of visibility in rooms marked in accordance with fig. 4
[own research]
0
180
1080
1440
1800
5
0
0
Zasi?g widzialnosci w cz?sci kuchni, gdzie powstal pozar, w pozostalej cz?sci kuchni oraz w lazience spadl do podobnej wartosci, odpowiednio do 1,18 m, 1,28 m i 0,87 m. W pokoju zasi?g widzialnosci pod koniec symulacji osiygnyl wartosc 2,44 m a na klatce schodowej 2,75 m.
Czas [s]
Ryc. 8 . Zmiana st?zenia tlenku w?gla w pomieszczeniach oznaczonych zgodnie z ryc. 4
[badania wlasne]
Fig. 8. Change of carbon monoxide concentration in rooms marked in accordance with fig. 4
[own research]
St?zenie tlenku w?gla osiygn?lo najwyzszy poziom w cz?sci kuchni, gdzie powstal pozar oraz w lazience - odpowiednio 638 i 609 ppm. W pozostalej cz?sci kuchni najwyzsze st?zenie CO wynioslo 297 ppm. W pokoju i na klatce schodowej maksymalne st?zenie tlenku w?gla wynioslo odpowiednio 58 i 35 ppm. St?zenie tlenku w?gla w pokoju, gdzie znaleziono zwloki lokatora, wydaje si? byc nieadekwatne do stwierdzonej przyczyny zgonu (zaczadzenie). Nalezy jednak zauwazyc, ze uzyty model strefowy pozaru przeznaczony jest do badania spalania plomieniowego a nie bezplomieniowego, ktore mialo miejsce w pierwszej fazie przedmiotowego pozaru. Wskazujy na to wprowadzane do modelu parametry dotyczyce materialow palnych takie jak: cieplo spalania, czy tez rodzaj korelacji do obliczen strumienia powietrza wciyganego do kolumny konwekcyjnej ognia.
Podsumowanie i wnioski
Program CFAST zostal opracowany do stosowania w rozwiyzywaniu problemów w inzynierii bezpieczenstwa pozarowego. Najszersze zastosowanie model znajduje w analizie rozprzestrzeniania siç ognia i dymu w budynkach.
W ramach weryfikacji i walidacji programu dokonano szeregu porównan pomiçdzy wynikami symulacji modelu i eksperymentem w ukladzie wielopomieszczeniowym (Jones i Peacock, 1988). W eksperymencie wykorzystano staly szybkosc wydzielania ciepla okolo 100 kW w ukladzie trzech pomieszczen o objçtosci okolo 100 m3. Zauwazono, ze model zawyzal temperatura górnej warstwy o okolo 20%, natomiast z zadowalajycym efektem przewidywal polozenie warstwy rozdzialu. Porównanie przewidywanych i mierzonych cisnien w pomieszczeniach wykazalo zgodnosc równiez w 20% [3].
Przeprowadzono badanie zgodnosci testów pozarowych w pelnej skali z wynikami symulacji pozaru w budynku mieszkalnym (Levine i Nelson, 1990). Podstawç badan stanowil pozar z 1987 roku, który powstal w kuchni na parterze domu i spowodowal smierc trzech osób w sypialni na górnym poziomie. Zawartosc karboksyhemoglobiny we krwi jednej z ofiar wynosila 91%. Odtworzono ten pozar w pelnej skali z oprzyrzydowaniem w ukladzie siedmiu pomieszczen na dwóch poziomach. Dane zebrane podczas badan zostaly wykorzystane do sprawdzenia zgodnosci wyników modeli komputerowych dla struktur wielopomieszczeniowych. Najlepsza zgodnosc wystypila dla przeplywu warstwy dymu i stçzenia tlenku wçgla w pomieszczeniach najbardziej oddalonych od zródla ognia. Przewidywanie wzrostu temperatury w fazie przedrozgorzeniowej bylo takze skuteczne wedlug badaczy [3].
Na ryc. 9 podano wyniki polozenia górnej warstwy w czasie. Dane eksperymentalne otrzymano dla pozaru pianki poliuretanowej o maksymalnej szybkosci wydzielania ciepla 1100 kW. Obserwowano szybsze zmniejszanie siç obliczeniowego polozenia górnej warstwy w czasie w stosunku do wyników eksperymentalnych na poczytku trwania pozaru, co jest charakterystyczne dla pozostalych pozarów doswiadczalnych.
Ryc. 9 . Porownanie wynikow obliczen i pomiarow polozenia gornej warstwy. Pozar pianki poliuretanowej. Szybsze zmniejszanie si? obliczeniowego polozenia gornej warstwy w czasie w stosunku do wynikow eksperymentalnych na poczytku trwania pozaru [9] Fig. 9. Comparison of the results of calculations and measurements of the upper layer
(polyurethane foam) [9]
Na ryc. 10 przedstawiono zaleznosc temperatury gornej warstwy od czasu, okreslony dla eksperymentu podanego wyzej. Pokazany przebieg danych doswiadczalnych w porownaniu z obliczeniowymi jest charakterystyczny dla innych testow. Srednie nadwyzki temperatury obliczeniowej w stosunku do eksperymentalnej nie przekraczaly 50 K.
Ryc. 10. Porownanie wynikow obliczen i pomiarow temperatury gornej warstwy. Pozar
pianki poliuretanowej [9]
Fig. 10. Comparison of the results of calculations and measurements of the temperature of
the upper layer (polyurethane foam) [9]
W ramach badan wlasnych zbudowano model pozaru odzwierciedlajycy rzeczywiste warunki zdarzenia powstalego w Bytomiu w dniu 9 czerwca 2010 roku wprowadzajyc znane wymiary pomieszczen i otworów wentylacyjnych. Z wbudowanej bazy danych dobrano odpowiedni material palny stanowiycy pierwotne zródlo pozaru - szafkç (wardrobe), zalozono moc pozaru w glównej czçsci kuchni równy 1000 kW typowy dla pozarów obiektów mieszkalnych. Na podstawie obliczonej w pomieszczeniu kuchni i lazienki temperatury warstwy dymu oszacowano czas otwarcia otworów wentylacyjnych przyjmujyc za warunek stluczenia szyby w oknie osiygniçcie temperatury 573 K (300 °C). Moment otwarcia drzwi
i okna w pokoju zalozono po czasie 10 min a moment przepalenia drzwi wejsciowych - po czasie 15 min.
1. Odnotowano dobry zgodnosc obliczonego polozenia warstwy gorycej ze stanem faktycznym zarejestrowanym na zdjçciu kamienicy w czasie pozaru (ryc. 1). Obliczenia wykazaly obnizenie siç warstwy gorycej w pokoju do poziomu 2,18 m, natomiast zdjçcie obrazuje wydobywanie siç dymu na wysokosci górnej czçsci okna. Dostçpne materialy fotograficzne przebiegu pozaru i sladów popozarowych (okopcenia, stopienia i nadpalenia materialów wyposazeniowych i wykonczeniowych) stanowiy dobry bazç do weryfikacji zalozonego scenariusza pozaru i wprowadzonych danych wejsciowych.
2. Nie osiygniçto zgodnosci obliczonego stçzenia tlenku wçgla w pokoju ze stwierdzony przyczyny zgonu znajdujycego siç w tym pomieszczeniu lokatora. Uzyty model pozaru nie zostal zaprojektowany z przeznaczeniem do badania pozarów z poczytkowy fazy w postaci spalania bezplomieniowego tak, jak mialo miejsce w przypadku przedmiotowego pozaru.
3. Do ograniczen modelu nalezy:
a. trudnosci obliczen dla skomplikowanej geometrii (do takich zastosowan wlasciwsze sy modele obliczeniowej dynamiki plynów CFD),
b. ograniczenia zwiyzane z zalozeniem dobrego rozwarstwienia (z definicji zaklada siç wyrazny granicç pomiçdzy warstwy gorycy i chlodny, czego nie odnotowuje siç w rzeczywistosci), na przyklad za pomocy modelu strefowego nie mozna modelowac tlycego siç papierosa w pomieszczeniu,
c. szybkosc wydzielania ciepla jest okreslana przez uzytkownika dla jednego lub wiçcej zródel ognia, model dokonuje jedynie sprawdzenia dostçpnosci tlenu niezbçdnego do spalania,
d. wymiana ciepla przez promieniowanie miçdzy pomieszczeniami nie jest uwzglçdniona w modelu,
e. dokladnosc modelu jest ograniczona przez prawidlowe okreslenie wlasciwosci termofizycznych paliwa, jesli wlasciwosci materialów i paliw nie sy dokladnie okreslone powoduje to wyzszy poziom niepewnosci modelu.
Literatura
1. Bukowski R. W., Modeling a Backdraft: The Fire at 62 Watts Street, NFPA Journal, 89 (6): 85-89, 1995;
2. Cox G., Chitty R., Kumar S., Fire modelling and the King's Cross fire investigation, Fire Safety Journal, 15:103-106, 1989;
3. Jones W. W., Peacock R. D., Forney G. P., Reneke P. A., CFAST - Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6): Technical Reference Guide, Special Publication 1026, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg 2009;
4. Konecki M., Kilka uwag na temat dynamiki i modelowania pozarów, wyklad inauguracyjny wygloszony 30 wrzesnia 2010 roku w Szkole Glównej Sluzby Pozarniczej. http://www.sgsp.edu.pl/uczelnia/wyklady/wyklad prof konecki.pdf;
5. Piesniak K., Opinia bieglego sqdowego z zakresu ochrony przeciwpozarowej dotyczqca przedmiotowego pozaru, Bytom 2010;
6. Wolanin J. i inni., Matematyczno-komputerowy model kryminalistycznego badania przyczyn i okolicznosci pozarów, Departament Szkolenia i Doskonalenia Zawodowego MSW, Warszawa 1989;
7. Wolanin J., Oscilowska B., Starzynski E. i inni., Analiza przyczyn i okolicznosci rozwoju pozaru Teatru Polskiego we Wroclawiu, praca niepublikowana. SGSP, Warszawa 1994;
8. Informacje ustalone w wyniku kontroli po pozarze, zleconej przez Komendanta Miejskiego PSP w Bytomiu pracownikom Wydzialu Kontrolno-Rozpoznawczego KM PSP w dniu 10.06.2010 r. dokonanej w obecnosci zarzydcy budynku - ZBM Bytom;
9. Reneke P. A., Jones W. W., Peatross M. J., Beyler C. L., Richards R., A comparison of CFAST predictions to USCG real-scale fire tests, J. of Fire Protection Engineering, vol. 11, 2001, s. 43-68.
st. kpt. dr inz. Norbert TUSNIO w 2010 obronil doktorat w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN. Pracuje w Zakladzie Badania Przyczyn Pozarów (Katedra Podstaw Rozwoju i Gaszenia Pozarów) w Szkole Glównej Sluzby Pozarniczej. Specjalnosc -modelowanie pozarów.
st. kpt. mgr inz. Damian SALETA ukonczyl Szkolç Glówny Sluzby Pozarniczej. Realizuje pracç doktorsky na Wydziale Inzynierii i Ochrony Srodowiska Politechniki Czçstochowskiej.
Recenzenci
Prof. dr hab. inz. Andrzej Teodorczyk Prof. dr hab. inz. Miroslaw Kosiorek
