CC BY
33
DOI: 10.12845/bitp.43.3.2016.23
prof. dr hab. inz. Stanislaw Nawrat1 dr inz. Natalia Schmidt-Polonczyk1 mgr inz. Sebastian Napieraj1
Przyjfty/Accepted/Принята: 29.06.2016; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 22.08.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.09.2016;
Ocena bezpieczenstwa uzytkownikow tunelu drogowego z wentylacja wzdluzn^ w warunkach pozaru przy wykorzystaniu narz^dzi modelowania numerycznego2
Safety Assessment of Road Tunnels with Longitudinal Ventilation, During a Fire Incident, Utilizing Numerical modelling Tools
Оценка безопасности пользователей автомобильного тоннеля с продольной вентиляцией в условиях пожара с использованием инструментов численного
моделирования
ABSTRAKT
Cel: Przedstawienie procesu oceny bezpieczenstwa uzytkownikow podczas pozaru w tunelu drogowym, wentylowanym wzdluznym systemem wentylacji, z wykorzystaniem narz^dzi modelowania numerycznego.
Wprowadzenie: W przypadku pozaru w tunelu drogowym najwazniejsze s^ dzialania samoratownicze podejmowane przez uzytkownikow korzystaj^cych z tego obiektu. Ich skutecznosc zalezy od szeregu parametrow, w tym od geometrii tunelu, systemow bezpieczenstwa (np. wentylacji), rodzaju spalanego materialu, strumienia wyzwalanego ciepla HRR (ang. heat release rate) podczas pozaru, czy rozmieszczenia wyjsc ewakuacyjnych.
Narz^dzia modelowania numerycznego s^ coraz cz^sciej wykorzystywane m.in. do oceny skutecznosci systemow bezpieczenstwa oraz bezpieczenstwa uzytkownikow w trakcie ewakuacji, co z kolei sprawdzane jest zazwyczaj na etapie projektowym danego obiektu. Osoba przeprowadzaj^ca badania numeryczne musi posiadac wiedz^ z zakresu wielu dziedzin, znac: podstawy modelowania matematycznego, wykorzystywane narz^dzia oraz ich ograniczenia, zagadnienia zwi^zane z metod^ obliczeniowej mechaniki plynow (CFD), specyfik^ pozaru oraz potrafic poprawnie dobierac parametry pocz^tkowo-brzegowe.
Metodologia: W artykule przedstawiono wyniki studium literatury specjalistycznej, w tym wybrane krajowe i mi^dzynarodowe wytyczne projektowe, stanowi^ce wypadkow^ dyskusji naukowo-technicznych, badan numerycznych, laboratoryjnych oraz testow w skali rzeczywistej. Ponadto w pracy zaprezentowano wyniki badan wlasnych autorow artykulu realizowanych w ramach biez^cej dzialalnosci Wydzialu Gornictwa i Geoinzynierii Akademii Gorniczo-Hutniczej.
Wnioski: Komputerowe metody numeryczne wykorzystano do kompleksowej oceny bezpieczenstwa uzytkownikow tunelu drogowego z wentylacji wzdluzn^ w warunkach pozaru. Oceny tej dokonano przy zastosowaniu kryterium bezpiecznej ewakuacji, ktorej wyznaczenie wymaga okreslenia czasu pojawienia si£ w tunelu krytycznych warunkow srodowiskowych zagrazaj^cych zdrowiu lub zyciu osob podejmuj^cych dzialania samoratownicze oraz czasu wyewakuowania si£ wszystkich uzytkownikow tunelu w bezpieczne miejsce. W pracy przedstawiono przebieg oceny, istotne zalozenia i parametry pocz^tkowo-brzegowe ze wskazaniem na zrodla literatury fachowej oraz wyniki analiz wlasnych, na podstawie ktorych nalezy stwierdzic, ze w tunelach jednokierunkowych, o dlugosci 1500 m z systemem wentylacji wzdluznej nie zostanie zapewniony wymagany poziom bezpieczenstwa w warunkach pozaru o mocy 30 MW, w przypadku braku wyjsc ewakuacyjnych oraz rozmieszczenia ich co 500 m.
Slowa kluczowe: bezpieczenstwo pozarowe, tunel drogowy, wentylacja pozarowa, wentylacja wzdluzna, ewakuacja Typ artykulu: artykul przegl^dowy
ABSTRACT
Aim: To identify an evaluation process concerning the safety of road tunnel users during a fire incident. The study focussed on tunnels with
longitudinal ventilation systems and examined safety from an evacuation perspective, utilizing numerical modelling tools.
Introduction: During a fire outbreak in road tunnels, the behaviour of users is critical, specifically during their individual attempts at rescue
1 AGH Akademia Gorniczo-Hutnicza / AGH University of Science and Technology; [email protected];
2 Procentowy wklad merytoryczny w powstanie artykulu / Percentage contribution: S. Nawrat - 30%, N. Schmidt-Polonczyk - 50%, S. Napieraj - 20%;
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
and evacuation. The outcome from such endeavours is dependent on a range of factors, including: tunnel geometry, safety systems in existence, ventilation, makeup of combustible material, heat release rate during burning and location of emergency exits. The use of numerical modelling tools is becoming an accepted norm, which, among others, is used to evaluate the effectiveness of safety systems as well as the safety of users during an evacuation. The latter is usually tested at the facility project design stage. Conduct of such activities require an individual to have detailed knowledge of a range of disciplines, thorough knowledge of mathematical modelling and application tools, awareness of software limitations, issues associated with computational fluid dynamics, specific knowledge concerning the behaviour of fires and appropriate selection of boundary conditions.
Methodology: This article reveals outcomes from a literary review of specialist material, including selected national and international project design guidelines derived from science and technology discussions, and numeric research performed in laboratory as well as real life conditions. Additionally, the paper presents original research results produced by the authors in the course of their ongoing activities at the Faculty of Mining and Geoengineering, at the AGH University of Science and Technology.
Conclusions: Computer numerical methods were harnessed to perform an assessment of safety in a fire environment, for users of road tunnels with longitudinal ventilated systems. This assessment was performed by applying a safe evacuation criterion, which requires identification of the start time when the critical environmental conditions occur in the tunnel, that is conditions presenting a hazard to the life and health of people who undertake self rescue activities, and duration of users evacuation to a safe location. The study identified essential assumptions, boundary parameters, specialist bibliography and analysis results from the work performed by the authors. Outcome from research indicates that in one-way road tunnels, of 1500 metres in length, without emergency exits or with exits spaced 500 metres apart, and ventilated by longitudinal systems, the required safety level will not be achieved during a fire incident with a heat release rate of 30 MW.
Keywords: fire safety, road tunnel, fire ventilation, longitudinal ventilation, evacuation Type of article: review article
АННОТАЦИЯ
Цель: Представление процесса оценки безопасности пользователей автомобильного туннеля, вентилируемого системой продольной вентиляции, в случае появления пожара. В оценке использовались критерий эвакуации и численные методы моделирования. Введение: В случае возникновения пожара в автомобильном туннеле к наиболее важны действия по самоспасению проводимые его пользователями. Они зависят от целого ряда параметров, среди всего прочего, геометрии туннеля, систем безопасности (например вентиляция), вида сгораемого материала, теплового потока HRR во время пожара (анг. Heat Release Rate), размещения аварийных выходов. Использование численных инструментов моделирования становится все более частой практикой, которая служит, в частности, для оценки эффективности систем безопасности, а также оценки безопасности пользователей объекта во время эвакуации, которая проводится обычно на стадии проектирования данного объекта. Эти мероприятия требуют от персонала, производящего численные исследования, знаний в области многих дисциплин, базового знания математических моделей, используемых инструментов и их ограничений, вопросов, связанных с методом вычислительной гидродинамики (CFD), специфики пожара и правильного выбора начальных и краевых параметров.
Методология: В статье представлены результаты обзора специализированной литературы, в том числе отдельных национальных и международных директив по проектированию, которые являются результатом научно-технической дискуссии, численных и лабораторных исследований, а также экспериментов в реальном масштабе. Кроме того, в статье представлены результаты собственных исследований авторов, реализуемых в рамках текущей деятельности факультета горного дела и геоинженерии Академии горного дела и металлургии (AGH).
Выводы: Компьютерные численные методы были использованы для полной оценки безопасности пользователей автомобильного туннеля с продольной вентиляцией в условиях пожара. Оценка проведена с использованием критерия безопасной эвакуации, определение которого требует определения времени появления в туннеле критических условий окружающей среды, угрожающих здоровью или жизни людей, принимающих самоспасательные действия, а также времени эвакуации из туннеля всех пользователей в безопасное место. В статье представлен процесс оценки, существенные предположения и первоначальные и краевые параметры с указанием источника литературы, а также результаты собственного анализа. На основе этих результатов следует указать, что в туннелях с односторонним движением длиной 1500 м, в которых присутствует система продольной вентиляции, не обеспечен надлежащий уровень безопасности в случае пожара мощностью 30 МВт, если в этом туннеле нет аварийных выходов, расположенных каждые 500 м.
Ключевые слова: пожарная безопасность, автомобильный туннель, пожарная вентиляция, продольная вентиляция, эвакуация Вид статьи: обзорная статья
1. Wprowadzenie
Podczas eksploatacji tuneli drogowych uzytkownik nara-zony jest na wiele zagrozen niekorzystnie wplywaj^cych na jego zdrowie [1]. Najbardziej niebezpiecznym zdarzeniem w tune-lach drogowych, w odniesieniu do zdrowia i zycia ludzkiego, jest niew^tpliwie pozar. Fakt ten potwierdza szereg dramatycznych wskutkachpozarów, maj^cych miejscewlasnie wtych obiektach, np. w tunelu pod Mont Blanc, gdzie w 1999 roku zgin^lo 39 osób [2]. Warto zwrócic uwag^, ze ze wzgl^du na specyfikj geometryczn^ tuneli drogowych wyst^puj^ce w nich pozary znacz^co zmieniaj^ swj skal^ w porównaniu do otwartej przestrzeni drogowej.
Pozar jest niekontrolowanym w czasie i przestrzeni pro-cesem spalania materialów [3]. Pozar w tunelu stanowi naj-wi^ksze zagrozenie dla uzytkowników tuneli drogowych oraz najwi^ksze wyzwanie dla systemów bezpieczenstwa. Zdarzenia te nie wyst^puj^ bardzo cz^sto, jednak ich skutki,
w przestrzeni cz^sciowo zamkni^tej, jak^ jest tunel, moge bye znacznie powazniejsze w porównaniu z otwartymi ci^gami komunikacyjnymi [4]. Pozary w tunelach drogowych w wi^k-szosci przypadków powodowane s^ przez techniczne usterki pojazdów (zwarcia elektryczne, przegrzania silników lub ha-mulców), a kolejno równiez przez zderzenia pojazdu/ów czy tez wady techniczne wyposazenia tunelu [5]. Uwzgl^dniaj^c aspekt bezpieczenstwa uzytkowników tunelu drogowego, zdarzenie pozaru mozna podzielie na dwie fazy [6]:
• faza I, czyli okres nieprzekraczaj^cy pierwszych 15 minut liczonych od momentu powstania pozaru, gdzie priory-tetem s^ dzialania samoratownicze. Osoby opuszczaj^ce tunel wymagaj^ ochrony przed skutkami zadymienia (m.in. brakiem widzialnosci, truj^cymi gazami oraz wy-sok^ temperature) poprzez zastosowanie odpowiedniego systemu wentylacji oraz srodków technicznych,
ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
DOI:10.12845/bitp.43.3.2016.23
• faza II, w której istotne s^ procesy zwalczania pozaru poprzez skuteczne odprowadzanie dymu z przestrzeni komunikacyjnej. Rol^ systemów bezpieczenstwa na tym etapie jest umozliwienie pracy ekip ratowniczych po-przez stworzenie warunków dojscia do miejsca pozaru i do podjçcia czynnosci gaszenia pozaru.
Omawiaj^c aspekt bezpieczenstwa uzytkownikow tunelu drogowego w warunkach pozaru, prowadzone analizy nalezy odniesc do najwazniejszych podejmowanych czynnosci, czyli ewakuacji. Proces ten jest zagadnieniem zlozonym, a jednym z istotnych czynników wplywaj^cych na bezpieczenstwo osób jest czas realizacji ewakuacji.
W niniejszym artykule przedstawiono proces oceny bez-pieczenstwa ewakuacji uzytkowników tunelu drogowego z wentylacja wzdluzn^ w warunkach pozaru, przy wykorzy-staniu narzçdzi modelowania numerycznego.
2. Bezpieczeñstwo uzytkowników tunelu drogowego podczas pozaru
Do oceny bezpieczenstwa ewakuacji z tunelu drogowego wykorzystac mozna formulç okreslon^ w brytyjskiej normie [7], zwan^ równiez kryterium bezpiecznej ewakuacji, która pojçcie czasu ewakuacji definiuje zaleznosci^:
T - T > G
ASET RSET _
(1)
ASET dostçpny czas ewakuacji (ang. Available Safe Escape
gdzie:
TRSET - wymagany czas ewakuacji (ang. Required Safe Escape Time) [s], T
Time) [s].
Z punktu widzenia ustawodawstwa bezpieczna ewakuacja zalezy od wartosci kilku parametrów, których przekroczenie powoduje tzw. krytyczny stan srodowiska maj^cy miejsce wtedy, gdy [7], [8]:
• „temperatura powietrza przekracza wartosc 60°C na wy-sokosci mniejszej lub równej 1,8 m od poziomu drogi ewakuacyjnej,
• g^stosc strumienia promieniowania cieplnego wynosi 2,5 kW/m2, przez czas ekspozycji dluzszy niz 30 s,
• temperatura gor^cych gazów pozarowych przekracza wartosc 200°C na wysokosci ponad 2,5 m od poziomu drogi ewakuacyjnej,
• zasi^g widzialnosci w tunelu jest mniejszy niz 10 m na wysokosci mniejszej lub równej 1,8 m od poziomu drogi ewakuacyjnej,
• zawartosc tlenu spada ponizej 15%".
Wyznaczenie dostçpnego czasu ewakuacji Tasei wymaga oszacowania czasu osi^gniçcia krytycznego stanu srodowiska, co wi^ze siç ze sprawdzeniem rozkladów wymienionych wyzej parametrów. Z kolei wymagany czas ewakuacji Trsit jest czasem trwaj^cym od pocz^tku powstania pozaru do mo-mentu, w którym wszystkie osoby w tunelu drogowym zdo-laj^ siç ewakuowac w bezpieczne miejsce [8]. TRSETokreslony zostal zaleznosci^ [8-9]:
TRSET tdet + ta + tr + treak + tp
(2)
gdzie:
TRSET - wymagany czas ewakuacji [s], td - czas detekcji pozaru [s], ta - czas alarmu [s],
tr - czas rozpoznania alarmu (przed podjçciem decyzji) [s],
treak - czas reakcji (podjçcie decyzji i wybor drogi ewakuacyj-nreeajk) [s],
tp - czas przemieszczenia (przejscia drog^ ewakuacyjn^ do bezpiecznego miejsca) [s].
Przedstawione sktadowe wymaganego czasu ewakuacji TRSET oraz ich relacja wzglçdem dostçpnego czasu ewakuacji TASET zobrazowane zostaly na ryc. 1.
Niespelnienie kryterium oznacza, ze w momencie poja-wienia siç krytycznych warunkow srodowiska w tunelu drogowym przebywa pewna liczba osob, ktore do tego momentu nie zd^zyly przemiescic siç w bezpieczne miejsce. Osoby te narazone s^ na utratç zdrowia lub zycia.
3. Analiza numeryczna bezpieczenstwa uzytkownikow tunelu drogowego w warunkach pozaru
Rozwoj zaawansowanych metod obliczeniowych, wspie-ranych ci^glym postçpem techniki komputerowej, przyczynia siç do coraz czçstszego wykorzystywania numerycznej me-chaniki plynow (ang. Computational Fluid Dynamics - CFD) do celow analizy zagadnien inzynierii bezpieczenstwa pozaro-wego. Na rynku dostçpnych jest wiele narzçdzi wspomagaj^-cych modelowanie przebiegu pozarow w tunelach. Programy te umozliwiaj^ przeprowadzanie skomplikowanych symulacji pozarowych, przy uwzglçdnieniu wielu parametrow wplywa-j^cych na poziom bezpieczenstwa ludzi. Narzçdzia CFD po-dzielic mozna na oprogramowanie ogolnego przeznaczenia i oprogramowanie dedykowane dla inzynierii bezpieczenstwa pozarowego. Programy zpierwszej grupy to m.in. [10]: PHO-ENICS FLAIR, ANSYS FLUENT, ANSYS CFX, STAR-CD,
Ryc. 1. Skladowe czasu TRSET oraz ich relacja wzglçdem TASET [9] Fig. 1. Time elements TRSET and their relationslhip to TASET [9]
OPENFOAM. Do oprogramowania CFD dedykowanego dla inzynierii bezpieczenstwa pozarowego zaliczyc mozna [10]: FIRE DYNAMICS SIMULATOR (FDS), JASMINE, SMART-FIRE, KOBRA 3D, KAMELEON, SOFIE.
Proces dzialan samoratowniczych rowniez coraz czçsciej prognozowany jest przy wykorzystaniu obliczen numerycz-nych, ktore umozliwiaj^ analizç roznych scenariuszy dla okre-slonych zalozen. Istnieje szereg narzçdzi do przeprowadzania komputerowych symulacji ewakuacji, z ktorych najczçsciej wykorzystywanymi ssj [11]: EXODUS, FDS+EVAC, LEGION, PATHFINDER, SIMULEX, STEPS, VISSIM.
Ocenç bezpieczenstwa ewakuacji osob z tunelu drogo-wego przeprowadzono przy wykorzystaniu komputerowych metod numerycznych. Do wyznaczenia dostçpnego czasu ewakuacji zastosowano narzçdzie PyroSim, ktore jest inte-raktywnym graficznym interfejsem programu Fire Dynamics Simulator - FDS, co argumentowane jest kilkoma wzglçdami [12]:
• FDS jest dedykowany dla modelowania pozaru w obiek-tach budowlanych,
• wysok^ wiarygodnosc uzyskanych wynikow gwarantuje obszerna weryfikacja oraz walidacja wynikow z testami przeprowadzonymi w skali rzeczywistej,
• w wielu przypadkach symulacje pozarow FDS potwier-dzaj^ce projektowe wartosci parametrow wentylacji wy-magane s^ przez rzeczoznawcow do spraw zabezpieczen przeciwpozarowych oraz komendy wojewodzkie Pan-stwowej Strazy Pozarnej.
Wymagany czas ewakuacji okreslono z wykorzystaniem narzçdzia Pathfinder, przy wyborze ktorego pomocne oka-zaly siç badania ankietowe przeprowadzone przez [11], na grupie 198 specjalistow posiadaj^cych doswiadczenie w wy-konywaniu symulacji ewakuacji. Glownym celem badan bylo sprawdzenie przydatnosci najczçsciej wykorzystywanych na rynku symulatorow ewakuacji oraz rozpoznanie potrzeb w tej dziedzinie.
Wyniki sondazu wskazuj^, ze jednym z trzech najlepiej ocenianych (lub najczçsciej uzywanych) przez ankietowa-nych programow do modelowania ewakuacji jest Pathfinder. W pracy [13] dokonano rowniez przegl^du wybranych narzçdzi symulacyjnych przeznaczonych do modelowania procesow ewakuacji, w tym programu Pathfinder. Ponadto potwierdzeniem slusznosci wyboru narzçdzia Pathfinder jest rzetelnie przeprowadzony przez tworcow programu proces weryfikacji zgodny z zaleceniami International Maritime Organization.
3.1. Charakterystyka programow obliczeniowych Fire Dynamics Simulator oraz Pathfinder
Fire Dynamics Simulator (FDS) to program przeznaczony do modelowania przebiegu pozarow. Zostal opracowany i jest wci^z rozwijany przez National Institute of Standards and Technology (NIST) przy wspolpracy z Technical Research Centre of Finland (VTT) [14]. FDS jest narzçdziem przezna-czonym do szczegolowej analizy zagrozen pozarowych, dyna-miki pozaru oraz towarzysz^cych mu zjawisk fizycznych m.in. transportu ciepla i produktow spalania, wymiany ciepla po-przez promieniowanie i konwekcjç. Z programem wspolpra-cuje pakiet Smokeview umozliwiaj^cy graficzn^ prezentacjç wynikow. Symulator pozwala na rejestracjç wartosci parametrow w czasie determinuj^cych bezpieczn^ ewakuacjç w ob-szarze, w ktorym przebywj ludzie. Wyznaczenie rozkladu danego parametru w badanych przekrojach umozliwia usta-lenie czasu, po ktorym wyst^pi krytyczny stan srodowiska. Proces obliczeniowy moze byc realizowany zarowno metod^ DNS (ang. Direct Numerical Simulation - DNS), gdzie row-nania Naviera-Stokesa rozwi^zywane s^ bez uwzglçdnienia
BiTP Vol. 43 Issue 3, 2016, pp. 253-264 D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
modelu turbulencji lub metod^ LES (ang. Large Eddy Simulation - LES). DNS wymaga ogromnych nakladow obliczeniowych, co wynika z koniecznosci zastosowania bardzo gçstej siatki obliczeniowej oraz malego kroku czasowego. Metoda ta jest odpowiednia do symulacji przeplywow ze spalaniem w malej skali geometrycznej [15]. Z kolei Large Eddy Simulation stanowi kompromis pomiçdzy dokladnosci^ wynikow obliczen a wymaganymi mocami obliczeniowymi kompute-ra. Metoda LES polega na odseparowaniu mniejszych wirow, ktore s^ modelowane analitycznie. Duze wiry o wielkosci po-rownywalnej lub wiçkszej od wielkosci komorki obliczeniowej rozwi^zywane s^ numerycznie. Podejscie to pozwala na calosciow^ analizç przeplywow turbulentnych, przy zachowa-niu ich charakteru [16].
Opis pozaru w FDS opiera siç na fizycznych modelach zjawisk, m.in. na:
• modelu hydrodynamicznym,
• modelu spalania,
• modelu promieniowania cieplnego.
Model hydrodynamiczny rozwi^zuje numerycznie odpo-wiedni^ formç rownan Naviera-Stokesa. Rownania te opie-raj^ siç na: zasadzie zachowania masy, pçdu, energii oraz na rownaniu stanu gazu doskonalego [14].
Model spalania oparty na modelu mieszania paliwa z tle-nem charakteryzuje siç stalym wspolczynnikiem produkcji poszczegolnych skladnikow: dwutlenku wçgla, tlenku wçgla, sadzy i wlasciwie przybliza proces spalania dla dobrze wenty-lowanych pomieszczen [14].
W modelu promieniowania cieplnego osrodek w srodo-wisku symulacji jest traktowany jako „gaz szary". Oznacza to, ze proporcje emisji do absorpcji promieniowania przez cz^-steczki osrodka, niezalezne od dlugosci fali promieniowania s^ takie same.
Szczegolowa charakterystyka programu FDS oraz opis algorytmu obliczeniowego znajduje siç w podrçczniku tech-nicznym FDS [14].
Proces weryfikacji i walidacji modelu FDS ma istotne znaczenie zarowno w przypadku mozliwosci jego zastosowania, jak i jego ograniczen. Ponadto informacja o trafnosci zastosowanych rownan w modelu matematycznym stanowi podstawç do wyboru programu komputerowego w celu prze-prowadzenia konkretnych badan [17]. Obszerne badania we-ryfikacji i walidacji programu FDS zostaly przeprowadzone przez NIST. Zgodnosc wynikow symulacji FDS z rzeczywisto-sci^ jest potwierdzona przez nastçpuj^ce dokumenty:
• dokument weryfikacji NIST [18],
• dokument walidacji NIST [19].
Badania walidacji i weryfikacji modelu, ktorych charak-terystykç i wyniki przedstawiono w dwoch pierwszych dokumentach wymienionych powyzej, sporz^dzono w oparciu o [17]. Weryfikacja modelu polegala na sprawdzeniu popraw-nosci dzialania m.in. [18]: kodu programu, wrazliwosci me-tody LES, poprawnosci rozwi^zywania rownan Naviera-Sto-kesa, modelu hydrodynamicznego, modelu promieniowania cieplnego, modelu przenikania ciepla przez przegrody, mo-delu spalania. W efekcie badania te wykazaly, ze uzyskane re-zultaty symulacji FDS dla warunkow pozaru mog^ odbiegac od wartosci rzeczywistych dla [19]:
• wartosci przyrostow temperatury w warstwie dymu, ktore s^ mniejsze o wielkosc nie wiçksz^ niz 15% od danych rzeczywistych,
• wartosci przyrostow temperatury w warstwie podsufito-wej, ktore s^ mniejsze o wielkosc nieprzekraczaj^c^ 20% od danych rzeczywistych,
• spadkow widocznosci, ktore w rzeczywistosci s^ mniejsze o 30% od tych okreslonych za pomoc^ programu FDS. Przyjçcie wymienionych korekt podczas interpretacji wynikow modelowania numerycznego gwarantuje wiarygod-
ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
nose uzyskanych rezultatow [19].
Program Pathfinder, opracowany przez firm^ Thun-derhead Engineering, daje mozliwosci prowadzenia symu-lacji komputerowych w celu wyznaczenia czasow ewakuacji, uwzgl^dnia przy tym geometric budynkow, zmieniaj^c ich powierzchni^ za pomoc^ algorytmu triangulacji na siee na-wigacyjn^ w postaci nieregularnych trojk^tow. Domyslnie program tworzy najmniejsz^ liczb^ mozliwie najwi^kszych trojk^tow. W prezentowanej metodzie uwzgl^dnia si§ wypo-sazenie obiektu reprezentowane przez wyci^cia w sieci nawi-gacyjnej modelu geometrycznego. Luki stanowi^ przeszkody dla poruszaj^cych si§ osob, staj^c si§ niedost^pne dla pieszych i w konsekwencji musz^ bye przez nich omijane [20]. W pro-gramie odpowiednikiem uzytkownikow danego obiektu s^ „agenci", ktorym zostaj^ nadane indywidualne cechy (m.in. wiek, plee, szerokose ramion, sprawnose fizyczna itp.). Za-chowania osob w modelu okreslane s^ poprzez funkcje: „profil" oraz „zachowanie". Profile pozwalaj^ na zarz^dzanie roz-kladem parametrow poruszania si§ osob oraz na definiowa-nie pr^dkosci przemieszczania si§ i wymiarow pieszych. Za-chowania determinuj^ sekwenj akcji, m.in. postoj, przejscie we wskazane miejsce lub wyjscie [21]. Rozmieszczenie osob w danym pomieszczeniu moze odbywae si§ w sposob losowy lub uporz^dkowany, pozwalaj^c na zachowanie wysokiej g§-stosci osob, ale zarowno w pierwszym, jak i drugim przypad-ku bez wzajemnego nakladania si§ pieszych [21]. Droga ewakuacji kazdego uzytkownika obiektu w programie Pathfinder tworzona jest w trzech etapach: etap I - planowanie drogi ewakuacji, etap II - generowanie drogi ewakuacji oraz etap III - przejscie drog^ ewakuacji. Podczas procesu planowania narz^dzie wyszukuje („planuje") mozliwe drogi ewakuacji, jednak finalnie wytycza „lokalnie najszybsz^" sposrod wszyst-kich dost^pnych. Precyzuj^c, poj^cie „lokalnie najszybciej" odnosi si§ konkretnie do wyboru najblizszego lokalnego celu w pomieszczeniu (np. drzwi do drugiego pokoju), gdzie aktu-alnie przebywa pieszy, ktory stanowi skladow^ celu finalnego. Po przejsciu do kolejnego lokum podejscie jest powtarzane az do osi^gni^cia punktu przeznaczenia. Gdy lokalny cel zostal wytyczony, droga ewakuacji generowana jest na podstawie algorytmu poszukiwania [22] na trojk^tnej sieci nawigacyj-nej. Powstala sciezka reprezentowana jest przez linie l^cz^ce punkty na kraw^dziach trojk^tow w sieci [20]. Przejscie wy-znaczon^ drog^ ewakuacji, czyli ruch pieszych w programie Pathfinder moze bye symulowany w dwoch trybach: sterow-niczym oraz SFPE, czyli wedlug Society of Fire Protection Engineers [23], [24]. W trybie zgodnym z zalozeniami SFPE drzwi wpiywaj^ na przeplyw ludzi, a piesi nie mog^ omijae si§ wzajemnie, co prowadzi do zjawiska przenikania. W trybie sterowniczym drzwi nie wplywaj^ na limit przepustowosci uzytkownikow obiektu, ale osoby poruszaj^ce si§ wykorzy-stuj^ tzw. odwrocony uklad sterowania (ang. inverse steering behaviors) do utrzymywania odpowiedniej pr^dkosci i dy-
stansu wzgl^dem siebie. Uklad ten pozwala pieszym tak wy-bierac cz^stkowe kierunki poruszania, aby ich indywidualny czas ewakuacji byl jak najkrotszy. Tryb ten umozliwia symu-laj bardziej zlozonych zachowan, uwzgl^dniaj^c interakcje pomi^dzy osobami oraz ich odpowiedz na zmienne warunki otoczenia, co jest naturalne podczas ewakuacji. Szczegolowa charakterystyka programu Pathfinder oraz opis algorytmu obliczeniowego znajduje si§ w podr^czniku Pathfinder [20].
Firma Thunderhead Engineering wielokrotnie przepro-wadzala ocen^ adekwatnosci programu Pathfinder w celu weryfikacji i walidacji modelu. Sposob wykonania analizy zostal dokladnie opisany w dokumencie wydanym przez International Maritime Organization [25]. We wspomnianym opracowaniu podano rowniez wyniki, do ktorych powinny byc zblizone rezultaty symulacji, by weryfikacja byla pozy-tywna. Testy weryfikuj^ce narz^dzie Pathfinder mialy na celu zbadanie poprawnosci dzialania poszczegolnych funkcji i zachowan m.in. [25], [20]: weryfikacja funkcji oprogramowania takich jak: utrzymanie zadanej pr^dkosci podczas poruszania si§ uzytkownika, utrzymanie zadanej pr^dkosci podczas wchodzenia po schodach, utrzymanie zadanej pr^dkosci podczas schodzenia ze schodow, nat^zenie przeplywu przez drzwi, zadany czas reakcji (opoznienia), zaokr^glanie drogi, zachowanie przypisanych (roznych) wartosci pr^dkosci poruszania si§ oraz weryfikacja jakosciow^ - walidaj np. ruch „pod pr^d", czulosc na dost^pne drzwi, przypisane wyjscia, zator. Ponadto wyniki z symulacji poddano walidacji, po-rownuj^c je do rezultatow badan doswiadczalnych ewakuacji przeprowadzonych w skali rzeczywistej.
3.2. Scenariusz pozarowy oraz warunki pocz^tkowo-brzegowe przyj^te w modelowaniu numerycznym
Scenariusz pozarowy rozwazanego przypadku zaklada wy-buch pozaru 250 m od portalu wjazdowego w jednej z naw tu-nelu jednokierunkowego, o dlugosci 1500 m - rycina numer 2, mimo ze polskie zalecenia prawne [26] dopuszczaj^ stosowanie wentylacji wzdluznej: „gdy dlugosc tunelu jest nie wi^ksza niz 1000 m". Przekroj poprzeczny tunelu ma ksztalt prostok^tny, miesci dwa pasy ruchu, a jego wymiary wynosz^: 9,2 m szero-kosci i 6,8 m wysokosci. W tunelu przewidziano system wenty-lacji mechanicznej wzdluznej, ktory pracuje zgodnie z kierun-kiem ruchu w tunelu drogowym. W przypadku wybuchu pozaru w tunelu jednokierunkowym, bez zatoru, cz^sc pojazdow poruszaj^cych si§ w kierunku przeciwnym do zrodla pozaru b^dzie w stanie bezpiecznie opuscic obiekt. Pojazdy zatrzy-mane przed zrodlem pozaru s^ chronione przez jednostronne odprowadzanie dymu w kierunku zgodnym z obowi^zuj^cym kierunkiem ruchu w tunelu. W przypadku zatoru w tunelach jednokierunkowych po obu stronach pozaru mog^ znajdowac si§ samochody, ktore nie b^d^ w stanie opuscic obiektu. Sytu-acja ta stwarza zagrozenie dla uzytl^owsfnikow/r ^n^jdt^j^cych si§ w zadymionej cz^sci tunelu.
jj a a a _ a a a 3 a a
250 m 1500 m —►
kierunek ruchu pojazdow direction of vehicles movement
kierunek przeplywu gazöw i dymöw pozarowych fire smoke flow direction
Ryc. 2. L^alizacja pozaru Fig. 2. Fire location Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagan bezpieczenstwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej wyklucza mozliwosc stosowania wzdluznego nachylenia tu-nelu wi;kszego niz 5% [27]. Jedynie ze wzgl;dów topogra-ficznych istnieje mozliwosc odst;pstwa od tych wymagan. W tunelach o dlugosci przekraczaj^cej 400 m i nachyleniu wzdluznym wi;kszym lub równym 3% poza analiz^ ryzyka ustala si; dodatkowe lub zwi;kszone srodki bezpieczenstwa [6]. Ponadto w tunelach o znacznym nachyleniu wplyw na pr;dkosc przeplywu dymów pozarowych w czasie pozaru ma powstaj^cy efekt kominowy, spowodowany wzrostem tempe-ratury w tunelu i spadkiem drogi. W zaleznosci od nachylenia i kierunku przeplywu powietrza wymuszonego przez wenty-lacj; efekt ten moze wspomagac prac; wentylatorów strumie-niowych podczas pozaru lub wplywac negatywnie, stwarzaj^c dodatkowy opór do pokonania. Oddzialywanie nachylenia tunelu na efektywnosc systemów wentylacji bylo przedmio-tem wielu badan m.in. [28], [29] czy tez [30]. Efektem ich jest wypracowanie wartosci pr;dkosci krytycznej w zaleznosci od nachylenia tunelu, która jest nieco wi;ksza niz w analo-gicznym, poziomym tunelu. Spadek tunelu determinuje rów-niez obostrzenia (zawarte w zaleceniacli projektowych m.in. w [6] w postaci ograniczenia pr;dkosci poruszaj^cych si; pojazdów. Ponadto moze nieznacznie spowolnic pr;dkosc ewakuuj^cych sit; oaób z tuneau, jednak w tunelach o stopmu nachylenia do 4% wplyw ten jest bardzo niewielki [31]. W ni-niejszym artykule nie uwzgl;dniono nachylenia tunelu.
W analizowanym przypadku zalozono pozar samochodu ci;zarowego [6], co odpowiada wielkosci szybkosci wydzie-lania ciepla równej minimum 30 MW. W pocz^tkowym stadium pozaru gor^ca warstwa dymów pozarowych kumuluje si; tuz pod stropem i rozchodzi w obu kierunkach wzgl;dem zródla pozaru. Pod warstswe dymów zasysane jest swieze po-wietrze, tworz^c jego chlodny strumien plyn^cy w kierunku przeciwnym do kierunku rozchodzenia si; gor^cych dymów pozarowych. Rozdzielenie warstwy gor^cychdymów i swie-zego powietrza nazywane jest stratyfikaj (ryc. 3), ma miej-sce przy braku lub niewielkiej pr;dkosci wzdluznej powietrza oraz jest zjawiskiem przejsciowym, bardzo poz^danym w po-cz^tkowej fazie pozaru.
Kelejno pr;dkosc przeplywu pekintrza powinna elimino-wac zjawisko cofania si; dymów pozarowych (ang. backlayeringS. Zbyt duza pr;dkosc moze spowodowae zwi;kszenie mocy poiaru, a tym samym wi;kszej ilosc dymów i gazów po j zarowych, z drugiej strony zbyt mala jej wartosc nie pokona zjawiska cofonik si; dymu. Dlatego konieczna jest zcpawnie-nia pr;dkosci krytycenei w tunelu, któr^ obliczyi mezna za pomoc^ metody iteracyjnej poprzez równoczesne rozwi^za-mewcorók [6], [32], [33]:
y,
gdzie:
Tf =
pc.pAVkr>T
■+ Tn
(3)
(4)
k
g
g H
Q
p
Cp A T T
kryt
b) ecz)
pr;dkosc krytyczna [m/s],
- wspólczynnik nachylenia tunelu,
- przyspieszenie ziemskie [m/s2],
- wysokosc tunelu [m],
- strumien wyzwalanego ciepla [kW],
- g;stosc powietrza [kg/m3],
- cieplo wlasciwe powietrza [kJ/(kg-K)],
- powierzchnia przekroju tunelu [m2],
- srednia temperatura gazów pozarowych [K],
- temperatura otoczenia [K].
Dla analizowanego przypadku wymagana pr;dkosc krytyczna powietrza wynosi 2,3 m/s [6], [32], [33].
Podczas pozaru w rozwazanym tunelu 427 osób podej-mie ewakuacj;. Liczba ta zostala zalozona dla stanu zatoru w tunelu. Ponadto przeanalizowano trzy warianty odleglosci wyjsc ewakuacyjnych: a) wariant 1 - brak wyjsc,
wariant 2 - wyjscia rozmieszczone co 500 m wzgl;dem siebie,
wariant 3 - wyjscia rozmieszczone co 250 m wzgl;dem
siebie.
W przypadku trzeciego wariantu rozmieszczenia wyjsc ewakuacyjnych, przyj;ta lokalizacja pozaru spowoduje za-blokowanie jednego z wyjsc prowadz^cego do drugiej nawy tunelu - ryc. 4.
Do celów analizy numerycznej w programie FDS przyj;to nast;puj^ce warunki pocz^tkowe oraz brzegowe: temperatura powietrza: +20 [°C], wilgotnosc wzgl;dna: 40 [%], cisnienie atmosferyczne: 101 325 [Pa], przyspieszenie ziemskie: 9,81 [m/s2], wiatr boczny: nie uwzgl;dnia si;, nachylenie tunelu: 0 [o].
Za obudow; tunelu przyj;to scian; betonow^ o grubosci 0,8 m o wlasciwosciach: g;stosc: 2 228 [kg/m3], przewodnosc cieplna: 1,80 [W/m-K], cieplo wlasciwe: 0,04 [kJ/kg-K], chropowatosc: 0,03[ mm].
Badania numeryczne przeprowadzono z wykorzystaniem metody Large Eddy Simulation. System wentylacji zostal zaprojektowany dla warunków pozaru zgodnie z procedur^ obliczeniow^ zawart^ w [33]. Strategia uruchomienia wentylatorów strumieniowych zostala dobrana w taki sposób, by w pocz^tkowej fazie pozaru zapewnic poz^dany efekt straty-fikacji gazów i dymów pozarowych, co korzystnie wplynie na bezpiecóenstwo podczas ewakuacji. Wentylatory w trakcie pozaru pracuj^ z mniejsz^ wydajnosci^, ze wzgl;du na ob-nizenie g;stosci powietrza spowodowane przez gor^cy dym. Pr;dkosc przeplywu dymów pozarowych w tunelach drogo-wych z wentylacji wzdluzn^ regulowana jest poprzez zal^cza-nie i wyl^czanie dost;pnych wentylatorów. W celu osi^gni;-cia wymaganej krytycznej pr;dkosci w tunelach drogowych zal^czana moze byc tylko okreslona liczba wentylatorów strumieniowych, zgodnie z opracowanymi wczesniej proce-
Ryc. 3. Zjawisko stratyfikacji Fig. 3. Emergence of stratification Zródlo: Opracowanie wlasne. Source:(Cwn elaboration.
ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
Rye. 4. Lokalizacja pozaru przy wyjsciu ewakuacyjnym (1) lokalizacja pozaru, (2) pojazdy wtunelu, (3) wyjsciaewakuacyjne Fig. 4. Fire location at an emergency exit (1) fire location, (2) vehicles in the tunnel, (3) emergency exits Zrôdlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
35
CM4 hi Tlmtfi]
Rye. 5. Przebieg przyjetej krzywej mocy pozaru dla 30MW Fig. 5. The course of this; assumed fire curvefor the value HRR of 30MW Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source:Own elaboration .
durami zarz^dzania bezpieczenstwem. Pozostale urz^dzenia pozostaj^ w spoczynku, z wyl^czeniem sytuacji w drugiej fa-zie pozaru, w ktorej kieruj^cy akj gasnicz^ wyda inn^ dys-pozycjç. Zalozono, ze wentylator w najblizszym s^siedztwie pozaru, poddany dzialaniu gorijcych dymow i gazow costal wyl^czony z analizy ze wzglçdu na turbulencje, ktore moze wywolywac. Zalozenie to jest szczegolnie istotne dla eacho-wania poz^danego w poczatkowym staidium p ozaru zjawiska stratyfikacji dymow. Moze siç rowniez zdarzyc tak, ze wentylator znajdujiycy siy oiad zrodlem pozaru lub bardzo blieko zo-stanie uszkodzony, co przyjçte zalozenie rowniez uwzglçdnia.
Przebieg i rozwoj pozaru jest zjawiskiem bardzo trudnym do przewidzonia. Podejmujyc badania numeryczne, nalezy przyj^c pewne zalozenia. W literaturze fachowej oraz w za-granicznych wytycznoch projektowychnp. [6], [33] znajdzie-my krzywe pozarowe charakteryzuj^ce przebieg i wzrost pozaru, rowniez w tunelu.
Tabela 1. Wspolczynnik szybkosci rozwoju pozaru [34-35]. Table 1. Fire growth factor [34-35].
W niniejszym badaniu rozwoj pozaru zalozono zgodnie z funkc[ kwadratow^:
Q = Y . t2
(5)
gdzie:
Q - strumien wyzwalanego ciepla [kW], Y - wspolczynnik szobkosci rozwoju pozaru [kW/s2] - tabela 1.
t - czas zsi^.niçcia pelnej mocy pozaru od momentu inicjacji [s] [34].
Przyjçtd krzywa jest bardzo dobrym przyblizeniem fazy wzrostu poWaru w tunelach. Po c.iijgniçciu maksymalnej mocy pozaru krzywa zaklada utrzymanie tej mocy do kon-ca trwania pozaou - ryc. 5,co stanowi aazargines bezpieczen-stwa podczas analiz. Przyjçta krzywa rozwoju pozaru zostala zaproponowana na podstawie wynikow testow pozarowych
Rozprzestrzenianie siç pozaru / Fire propagation Wspolczynnik szybkosci rozwoju pozaru [kW/s2] / Fire growth factor [kW/s2]
Wolne/Slow 0,00293
Srednie/Medium 0,01172
Szybkie/Fast 0,04689
Bardzo szybkie / Very fast 0,18760
przeprowadzonych w skali rzeczywistej w ramach projektu UPTUN, m.in. w tunelu Runhamar w Norwegii.
Ilosc dymow wydzielanych podczas pozaru pojazdu jest kluczowym parametrem wplywaj^cym na zasi;g widzialnosci w tunelu. Wielkosc emisji dymow w glownej mierze zalezy od spalanego materialu. Najwi;kszym oddzialywaniem na produkcj; dymow sposrod elementow samochodu charak-teryzuj^ si;: gumowe opony, g^bki w fotelach, tapicerka sa-mochodowa, plastikowe lub drewniane elementy deski roz-dzielczej, farby i lakiery. Ponadto na wielkosc emisji dymow maj^ wplyw m.in.: rodzaj paliwa, warunki wentylacyjne oraz dost;pnosc tlenu [36]. W modelowaniu procesu spalania samochodu przyjmuje si; parametry wysoko dymotworczych polimerow, stanowi^cych glowny skladnik materialow zasto-sowanych w pojezdzie, st^d do celow analizy przyj;to material o wspolczynniku produkcji dymu „soot yield" wynosz^-cym YSOT = 0,1 g/g, wspolczynniku produkcji tlenku w;gla YCO = 0,1 g/g oraz cieple spalania Ho = 25 [MJ/kg] [37].
W rozwazaniach pomini;to oddzialywanie wiatru na proces oddymiania tunelu, chociaz wplyw warunkow atmosferycznych, a w szczegolnosci wiatru, moze niekorzystnie oddzialywac na proces skutecznego odprowadzania dymu i ciepla, zwlaszcza w przypadku tuneli krotkich o dlugosci nieprzekraczaj^cej 500 m, wentylowanych naturalnie [38]. W pracy [39] wykazano ne-gatywne oddzialywanie wiatru na proces przewietrzania krotkich tuneli z wentylaj naturaln^. W tunelach dlugich mozna spodziewac si; wplywu wiatru na zjawiska przeplywowe zacho-dz^ce wewn^trz obiektu, dlatego systemy wentylacji w tunelach drogowych powinny zapewnic odpowiedni^ sil; ci^gu w celu zniwelowania negatywnego oddzialywania. Niewielkiego wply-wu wiatru wedlug [31] na procesy wentylacyjne mozna spodziewac si; w sytuacji, gdzie portale tunelu s^ ulokowane cz;sciowo lub calkowicie pod powierzchni^ otaczaj^cego terenu.
Okreslenie wymaganego czasu ewakuacji wymagalo przypisania kazdej „ewakuuj^cej si; osobie" zestawu indywi-dualnych parametrow, z ktorych najwazniejszymi s^: pr;d-kosc poruszania si;, szerokosc ramion oraz czas opoznienia. Dobor indywidualnych parametrow osob ewakuuj^cych si; oparto o wyniki badan eksperymentalnych [40]. Szerokosc ramion osob ewakuowanych, pr;dkosc poruszania si; i czas opoznienia zdefiniowano, uwzgl;dniaj^c wartosci minimalne i maksymalne, oraz zroznicowano je ze wzgl;du na plec i wiek - tabela 2 oraz tabela 3.
Kolejny etap obejmowal wyznaczenie czasow b;d^cych skladowymi TRSET. Pierwszy z nich to czas detekcji pozaru, ktory okresla przedzial czasowy liczony od wybuchu pozaru
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
do jego wykrycia przez systemy detekcji, operatora lub uzyt-kownika tunelu. Nast;pny dotyczy alarmu - jest to czas po-trzebny do przetworzenia impulsu o zdarzeniu przez system sygnalizacji oraz finalnie do wyemitowania alarmu pozaro-wego. Za czas detekcji i alarmu Td+a przyj;to l^czn^ wartosc 120 s, co jest zgodne z aktualnymi praktykami projektowymi. Kolejne skladowe zwi^zane s^ z reakj i zachowaniem osób ewakuuj^cych si;. S^ to czasy opóznienia i rozpoznania alarmu, czyli okres pomi;dzy zadzialaniem alarmu a rozpocz;-ciem procesu ewakuacji, który wyrazany jest zaleznosci^ [40]:
to = tr + treak (6)
gdzie:
t0- czas opóznienia [s],
tr- czas rozpoznania alarmu [s],
treak- czas reakcji [s].
Czas opóznienia zalezy w duzej mierze od znajomosci budynku przez osoby ewakuuj^ce si;. Tunel w swojej kon-strukcji i geometrii nie nalezy do skomplikowanych obiektów budowlanych, jednak jest to obiekt nieznany dla jego uzyt-kowników, dlatego za czas opóznienia do obliczen przyj;to przedzial od 0 do 120 s [40]. Kolejny czas dotyczy przemiesz-czania si; osób w bezpieczne miejsce i zostal on wyznaczony za pomoc^ narz;dzia Pathfinder na podstawie przyj;tych pa-rametrów pocz^tkowo-brzegowych.
W scenariuszu ewakuacji opracowano kilka typów zacho-wan uzytkowników. Róznica w zachowaniach jest wynikow^ obecnosci lub braku wyjsc ewakuacyjnych, ich rozmieszcze-nia oraz lokalizacji zródla ognia, która stanowi przeszkod; dla osób znajduj^cych si; w s^siedztwie pozaru oraz wplywa na wartosc czasu opóznienia. Dla pierwszego wariantu (bez wyjsc ewakuacyjnych) osoby podejmuj^ce dzialania ratow-nicze poruszaj^ si; w kierunku najblizszego portalu, z tym ze uzytkownicy, dla których w ci^gu najkrótszej drogi ewa-kuacyjnej zlokalizowany jest pozar, b;d^ zmuszeni podj^c ewakuacj; drugim, dalszym portalem. Dla tuneli z wyjsciami ewakuacyjnymi, osoby po stronie nawietrznej pozaru opusz-cz^ tunel przez lewy portal, natomiast osoby po stronie za-wietrznej kieruj^ si; do najblizszego wyjscia ewakuacyjnego, do którego równiez wliczany jest portal tunelu. Na odcinku 200-300 m ze wzgl;du na bliskosc miejsca pozaru (50 m od zródla pozaru w obie strony) zalozono zerowy czas opóznienia dla wszystkich wariantów. Stosunek liczby m;zczyzn i ko-biet wynosi: 50% - kobiety oraz 50% - m;zczyzni.
Tabela 2. Zestawienie minimalnej i maksymalnej szerokosci ramion osob ewakuowanych w zaleznosci od plci [40] Table 2. Comparison of the minimum and maximum arm widths for evacuees by sex [40]
Minimum [cm] Minimum [cm] Maksimum [cm] Maximum [cm]
Mçzczyzni Men 40,6 49,3
Kobiety Female 36,6 45,0
Tabela 3. Comparison of minimum and maximum mobility speeds for individuals depending on sex and fitness [40] Table 3. Comparison of minimum and maximum speeds of individuals by age and fitness [40]
Minimum [m/s] Maksimum [m/s]
Minimum [m/s] Maximum [m/s]
Mçzczyzni Male 1,1 1,6
Kobiety Female 1,05 1,45
Niepelnosprawni Disabled 0,71 1,25
ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
3.3. Wyniki obliczen numerycznych
Kryterium bezpiecznej ewakuacji, opisuj^ce nierownosc czasu trwaj^cego od pocz^tku powstania pozaru do momen-tu, w ktorym wszystkie osoby w tunelu drogowym zdolaj^ siç ewakuowac w bezpieczne miejsce wzglçdem czasu osi^-gniçcia krytycznego stanu srodowiska w tunelu, pozwala na przeprowadzenie oceny bezpieczenstwa uzytkownikow tunelu w warunkach pozaru. Dostçpny czas bezpiecznej ewakuacji TASET jest czasem, po przekroczeniu ktorego warunki w tunelu drogowym staj^ siç krytyczne dla jego uzytkownikow. TASET okreslany jest przez parametr, ktory pierwszy osi^-gnie lub przekroczy wartosc uznawan^ za zagrazaj^c^ zyciu lub zdrowiu ludzi. Do parametrow tych zgodnie zalicza siç: temperaturç powietrza, gçstosc strumienia promieniowania cieplnego, temperaturç gor^cych gazow pozarowych, zasiçg widocznosci w tunelu oraz zawartosc tlenu. Z uzyskanych rezultatow, po uwzglçdnieniu korekty wynikaj^cej z procesu walidacji [19], wnioskowac nalezy, ze pierwsze osi^gniçcie krytycznego stanu srodowiska spowodowane jest spadkiem poziomu widocznosci ponizej wartosci 10 m, ktore nast^pilo po uplywie 378 s. Na tej podstawie okreslono dopuszczalny czas ewakuacji. Wymagany czas ewakuacji skalkulowano, dodaj^c czas detekcji i alarmu do czasu wyewakuowania siç z tunelu ostatniej osoby (oszacowanej przy wykorzystaniu Pathfinder), uwzglçdniaj^c przyjçte czasy opoznienia uzytkownikow. Wartosc czasu ewakuacji uzytkownikow do bez-piecznego miejsca z tunelu bez wyjsc ewakuacyjnych, czyli dla wariantu I wyniosl 1267 s, dla wariantu II - 408 s, a dla tunelu z wyjsciami co 250 m wyniosl 348 s. Zestawione re-zultaty wymaganego i dostçpnego czasu ewakuacji okreslo-ne przy wykorzystaniu narzçdzi Pathfinder oraz FDS wraz z zestawieniem liczby osob bezpiecznych oraz zagrozonych przedstawia tabela 4.
Niespelnienie kryterium bezpiecznej ewakuacji oznacza, ze w momencie pojawienia siç krytycznych warunkow srodo-wiskowych w tunelu drogowym przebywa pewna liczba osob, ktora do tego momentu nie zd^zyla przemiescic siç w bezpieczne miejsce. Osoby te narazone s^ na utratç zdrowia lub zycia.
4. Podsumowanie
Analizy numeryczne pozwalaj^ na kompleksow^ ocenç poziomu bezpieczenstwa w tunelach drogowych oraz innych obiektach budowlanych, zwlaszcza na etapie projektowym. Znaczna czçsc problemow dotycz^cych systemow bezpieczenstwa i zjawiska pozaru moze rowniez zostac rozwi^zana na drodze modelowania numerycznego. Ponadto metody te maj^ uzyteczne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki.
D0I:10.12845/bitp.43.3.2016.23
W artykule przedstawiono najwazniejsze aspekty zwi^-zane z procesem oceny bezpieczenstwa uzytkownikow tuneli drogowych w warunkach pozaru, za pomoc^ narzçdzi numerycznych. Ocena ta wi^ze siç m.in. z wlasciwym wyborem narzçdzi modelowania numerycznego w celu wyznaczenia wymaganego i dostçpnego czasu ewakuacji oraz przyjçciem poprawnych warunkow pocz^tkowo-brzegowych. Bior^c pod uwagç cel przeprowadzanych badan numerycznych, nalezalo rowniez przyj^c odpowiedni^ strategiç dzialania wentylacji wzdluznej oraz zapewnienia odpowiedniej wartosci prçd-kosci przeplywu powietrza w tunelach, na co z kolei wplywa liczba i rozmieszczenie urz^dzen wentylacyjnych.
Podstawowym ograniczeniem wykorzystanych metod badawczych jest potrzeba ich uwiarygodnienia na drodze eksperymentalnej [41]. Do oceny adekwatnosci wybranych metod obliczeniowych stosuje siç walidacjç i weryfikacjç. We-ryfikacja dotyczy sprawdzania prawidlowego rozwi^zywania rownan modelu. Proces ten nie kontroluje poprawnosci tych rownan, ale sposob ich rozwi^zywania. Innymi slowy weryfi-kacja pozwala zbadac zgodnosc systemu symulacyjnego z jego zalozeniami. Walidacja z kolei polega na analizie poprawno-sci rozwi^zywanych rownan modelu matematycznego. Spro-wadza siç zazwyczaj do porownania wynikow modelowania z pomiarami eksperymentalnymi. Pozwala wiçc na sprawdze-nie, w jakim stopniu model jest wiernym odzwierciedleniem rzeczywistego stanu, przy takich samych danych wejsciowych [15]. Roznice w wynikach, ktorych nie da siç uzasadnic jako blçdy numeryczne lub wytlumaczyc przy wykorzystaniu nie-pewnosci pomiaru, s^ przypisywane do zalozen modelu jako jego uproszczenia [42].
Liczne badania weryfikacji i walidacji wykorzystanych programow oraz ich wyniki potwierdzaj^ adekwatnosc wy-branych narzçdzi symulacyjnych do poruszanej problematyki badawczej oraz stanowi^ podstawç do przyjçcia uzyskanych wynikow modelowania numerycznego jako zblizonych do rzeczywistosci.
5. Wnioski
Przedstawiony material pozwala na sformulowanie nastç-puj^cych wnioskow:
1. Do oceny bezpieczenstwa uzytkownikow tunelu drogo-wego w warunkach pozaru wykorzystac mozna kryterium bezpiecznej ewakuacji, jednak jego wyznaczenie wymaga okreslenia czasu pojawienia siç w tunelu krytycznych wa-runkow srodowiskowych oraz czasu wyewakuowania siç wszystkich uzytkownikow tunelu w bezpieczne miejsce, co zazwyczaj rozwi^zywane jest na drodze modelowania numerycznego.
Tabela 4. Wyniki obliczen numerycznych wymaganego oraz dost^pnego czasu ewakuacji Table 4. Calculation results for the required and available evacuation time
Tunel jednokierunkowy o dlugosci 1500 m i mocy pozaru 30 MW / One way tunnel, 1500 metres long and heat release rate of 30 MW T ASET (FDS) T RSET (Pathfinder) Kryterium T > T ASET RSET Criterion T > T ASET RSET Liczba osob w bezpiecznym miejscu / The number of people in a safe area Liczba osob zagrozonych / The number of endangered people
bez wyjsc ewak. / absence of emergency exits 378 s 1267 s niespelnione / not achieved 127 300
wyjscia co 500 m / emergency exit distance - 500 m 378 s 408 s niespelnione / not achieved 415 12
wyjscia co 250 m emergency exit distance - 250 m 378 s 348 s spelnione met / not achieved 427 0
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
2. Wybór narzçdzi numerycznych powinien byc poprzedzo-ny szczególow^ analiz^ weryfikacji i walidacji wykorzy-stywanych programów.
3. Na podstawie wyników badan przeprowadzonych dla tunelu jednokierunkowego o dlugosci 15GG m, z syste-mem wentylacji wzdluznej, o prostok^tnym przekroju poprzecznym i Go spadku wzdluznym, w warunkach po-zaru o mocy 3G MW stwierdzic mozna, ze nie zostanie zapewniony wymagany poziom bezpieczenstwa podczas ewakuacji, w przypadku braku wyjsc ewakuacyjnych oraz rozmieszczenia ich co 5GG m dla przyjçtego scenariusza pozarowego. W analizowanym przypadku wyjscia ewaku-acyjne powinny byc rozmieszczone co 25G m.
4. Wyniki badan oraz przyjçta metodologia mog^ stanowic podstawç do kontynuacji analiz w celu wyznaczenia gra-nicznych odleglosci pomiçdzy wyjsciami ewakuacyjnymi, dla których uzytkownicy tunelu zdolaj^ bezpiecznie opu-scic obiekt.
5. Wyniki badan wskazuj^, iz mozliwe jest stosowanie sys-temu wentylacji wzdluznej w tunelach drogowych o dlu-gosci powyzej 1GGG m, pod warunkiem zastosowania dodatkowych srodków technicznych w postaci wyjsc ewakuacyjnych, podczas gdy polskie zalecenia prawne dopuszczaj^ stosowanie tego systemu, gdy dlugosc tunelu nie przekracza 1GGG m. Wyznaczenie granicznej dlugosci tunelu, dla której istnieje mozliwosc stosowania wentylacji wzdluznej, jest ciekawym zagadnieniem i wymaga kontynuacji podjçtych badan.
Literatura
[1] Nawrat S., Schmidt-Polonczyk N., Napieraj S., Selected issues concerning protection of road tunnel structures and ventilation systems in relation to fire hazard, "AGH Journal of Mining and Geoengineering" 2G12, 235-245.
[2] PIARC: Lessons Learned From Recent Tunnel Fires. France: PI-ARC Committee on Road Tunnels Operation (C3.3), 2GG6.
[3] PN-EN ISO 13943: 2GG2 Bezpieczenstwo pozarowe - terminologia.
[4] Fera M., Macchiaroli R., Use of analytic hierarchy process and fire dynamics simulator to assess the fire protection systems in a tunnel on fire, "International Journal of Risk Assessment and Management" 2G1G, 14(6), 5G4-529.
[5] H0j N. P., Discussion of the hazardsfortunnels in operation -presented in context of risk analysis and in design for safety, Warsaw 2GG6. [6] RABT: Forschungsgesellschaft fur Strassen-and Verkehrswesen, Richtlinien fuer Ausstattung und Betrieb von Strassen-tunneln, 2GG6.
[7] British Standard PD 7974-6:2GG4: The application of fire safety engineering principles to fire safety design of buildings. Part 6: Human factors: Life safety strategies-Occupant evacuation, behaviour and condition (Sub-system 6).
[8] Dzialanie instalacji przeciwpozarowej wynikajqcej z zalozen scenariusza pozarowego, [ w:] Podrçcznik projektanta systemów sygnalizacji pozaru, Czçsc I i II. Izba Rzeczoznawców SITP, In-stytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2G1G.
[9] PIARC: Road Tunnels. Operational Strategies for Emergency Ventilation. France. PIARC Committee on Road Tunnels 2G11.
[1G] Fliszkiewicz M., Krauze A., Maciak T., Mozliwosci stosowania programów komputerowych w inzynierii bezpieczenstwa pozarowego. BiTP Vol. 29 Issue 1, 2G13, 47-6G.
[11] Ronchi E., Kinsey M., Evacuation models of the future: insights from an online survey of user's experiences and needs, [in:] Proceedings of the Advanced Research Workshop: "Evacuation and Human Behaviour in Emergency Situations, J. Capote, D. Alvear (eds.), Universidad de Cantabria, Spain 2G11.
[12] Fliszkiewicz M., Krauze A., FDS - Wstçp do wentylacji pozaro-wej - badanie skutecznosci projektowanych instalacji wentylacji oddymiajqcej, 2G15 [dok. elektr.] http://www.inf.sgsp.edu.pl/sy-mulacje/cwiczenia/materialy/wprowadzenie_do_cwiczenia5.
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
pdf,[dostçp: maj 2015].
[13] Haron F., Alginahi Y., Kabir M., Mohamed A., Software Evaluation for Crowd Evacuation - Case Study, "Al-Masjid An-Na-bawi. International Journal of Computer Science Issues" 2012, 128-134.
[14] McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Baum H., Rehm R., Mell W. i inni., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide, Volume 1: Mathematical Model, NIST Special Publication, Washington 2010.
[15] Chybowski R., Konecki M., Tusnio N., Wykorzystanie programu komputerowego do modelowania pozaru w tunelu kablowym, „Zeszyty Naukowe SGSP" 2009, 39, 61-79.
[16] Maciak T., Czajkowski P., (2015): Modelowanie rozwoju pozaru w pomieszczeniach zamkniçtych. Cz. 1. Model Matematyczny. [dok. elektr.]
http://www.inf.sgsp.edu.pl/symulacje/cwiczenia/materialy/
cw4/model_matematyczny_fds.pdf
[dostçp: 7 czerwca 2015].
[17] ASTME1355: Standard Guide for Evaluating Predictive Capability of Deterministic Fire Models, American Society for Testing and Materials, Pennsylvania 2015.
[18] McDermott R., McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 2: Verification. USA: National Institute of Standards and Technology, 2010.
[19] McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., McDermott R., Fire Dynamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 3: Validation, National Institute of Standards and Technology, USA 2010.
[20] Thunderhead Engineering: Pathfinder 2014.2 Verification and Validation, 2014.
[21] Thunderhead Engineering, STIGO: Pathfinder 2011 Instrukcja obslugi. [dok. elektr.] http://www.pyrosim.pl/przydatne-linki/ [dostçp: 8 maja 2015].
[22] Hart P.E., Nilsson N.J., Raphael B., A Formal Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths. Transactions on Systems Science and Cybernetics (SSCA). SSC-4 (2), 1968, 100107.
[23] SFPE: Engineering Guide - Human Behavior in Fire. USA: Fire Society of Protection Engineers, 2003.
[24] Nelson H. E., Mowrer F. W.: Emergency Movement. W S. o. Engineers, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. National Fire Protection Association, 2002.
[25] Guidelines for Evacuation Analysis for New and Existing Passenger Ships.
MSC.1/Circ.1238. London: International Maritime Organization, 2007.
[26] Rozporz^dzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunkow technicznych, ja-kim powinny odpowiadac drogowe obiekty inzynierskie i ich usytuowanie. (Dz. U. Nr 63, poz. 735 z poz. zm.).
[27] Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagan bezpieczenstwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej.
[28] Atkinson G., Wub Y., Smoke control in sloping tunnels, "Fire Safety Journal" 1996, 27(4), 335-341.
[29] Wu Y., Bakar M., Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems - a study of the critical velocity, "Fire Safety Journal" 2000, 35(4), 363-390.
[30] Palazzi E., Fabiano B., Pastorino R., Maschio G., Tunnel ventilation modelling in sloped tunnels, "Chemical Engineering Transactions" 2009, 17, 349-354.
[31] PIARC: Systems and Equipment for Fire and Smoke Control in Road Tunnels. France: PIARC Committee on Road Tunnels Operation (C3.3), 2007.
[32] PIARC: Fire and Smoke Control in Road Tunnels. France: PIARC Committee on Road Tunnels (C5), 1999.
[33] CETU: Dossier Pilote des Tunnels Équipements, section 4.1 Ventilation: Centre détudes des Tunnels, France, 2003.
[34] British Standard PD 7974-1:2003. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Part 1: Initiation
ПОЖАРНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
and development of fire within the enclosure of origin.
[35] British Standards PD 7974-5:2003. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Part 5: Fire service intervention.
[36] Mulholland G., Smoke Production and Properties, [in:] SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd Edition, 1995, 217-227.
[37] Gehandler J., Ingason H., Lonnermark A., Frantzich H., Stromgren M., Performance-based design of road tunnel fire safety, Proposal of new Swedish framework. Fire Safety. Case Studies in Fire Safety, 2014, 18-28.
[38] BD 78/99 Design Manual for Roads and Bridges. Part 9: Design of Road Tunnels. United Kingdom 1999.
[39] Sztarbala G., Oddzialywanie wiatru na przeplyw powietrza w tunelu w warunkach pozaru, Rozprawa doktorska, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2012.
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.23
[40] Smith J., Agent-Based Simulation of Human Movements During Emergency Evacuations of Facilitie, American Society of Civil Engineers, Canada: American Society of Civil Engineers, 2008, 1-10.
[41] Jaszczur M., Nowak R., Szmyd J., Branny M., Karch M., Wod-ziak W., An application of SPIV technique to experimental validation of the turbulence model for the air flow in the intersection of the mining face with the ventilation gallery, "Journal of Physics" 2011, 1-6.
[42] Brzezinska D., Rozprzestrzenianie sip dymu. Poprawnosc wyko-nania symulacji komputerowych CFD, „Ochrona Przeciwpoza-rowa" 2008, 34-35.
*
prof. dr hab. inz. Stanislaw Nawrat - profesor na Wydziale Gornictwa i Geoinzynierii Akademii Gorniczo-Hutniczej im. Stani-slawa Staszica w Krakowie. Kierownik Zamiejscowego Osrodka Dydaktycznego w Jastrzçbiu Zdroju.
dr inz. Natalia Schmidt-Polonczyk - asystentka na Wydziale Gornictwa i Geoinzynierii Akademii Gorniczo-Hutniczej im. Stanislawa Staszica w Krakowie. W 2016 roku obronila rozprawç doktorsk^ pt. Ocena mozliwosci stosowania systemu wentylacji wzdluznej w dlugich tunelach drogowych. Obszarem zainteresowan autorki s^ zagadnienia wentylacji, bezpieczenstwa pozarowe-go oraz ewakuacji.
mgr inz. Sebastian Napieraj - asystent na Wydziale Gornictwa i Geoinzynierii Akademii Gorniczo-Hutniczej im. Stanislawa Staszica w Krakowie. Pracowal w miçdzynarodowych zespolach, miçdzy innymi w Norwegii, Ukrainie i Niemczech, zajmuje siç zagadnieniami wentylacji i bezpieczenstwa w podziemnych obiektach oraz zwalczaniem zagrozen naturalnych i wykorzystaniem metanu pokladow wçgla w gornictwie.
