Zasady przeprowadzania symulacji rozwoju pożaru i rozprzestrzeniania dymu na klatkach schodowych

Odpowiednio zaprojektowana i wykonana instalacja oddymiająca budynków i klatek schodowych w realny sposób wpływa na ochronę życia i zdrowia osób przebywających w obiektach w trakcie wybuchu pożaru. Pomimo znowelizowanych w 2009 roku przepisów techniczno-budowlanych, na próżno można szukać w nich wskazań, w jaki sposób zaprojektować system oddymiający, aby jak najskuteczniej spełniał on swoją funkcję. Pomocna w tym celu staje się jednak analiza CFD, która pozwala skontrolować czy dany system oddymiania został zaprojektowany poprawnie i skorygować go w razie potrzeby jeszcze na etapie projektowania.

Czym jest analiza CFD i jakie są korzyści z jej zastosowania

CFD (Computational Fluid Dynamics) to dziedzina mechaniki płynów, w której wykorzystywane są do określenia ich parametrów metody numeryczne. Dzięki mocy obliczeniowej programów komputerowych, można z jej użyciem dokładnie określić ruch płynów, dlatego też znalazła ona szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, a także budownictwie w trakcie projektowania systemów oddymiania.

Do wykonania analizy i symulacji komputerowej CFD najczęściej wykorzystywany jest program FDS (Fire Dynamics Simulator), który został opracowany przez naukowców z NIST (National Institute of Standards and Technology). Program jest w stanie z dużą dokładnością oszacować powstawanie i rozchodzenie się dymu w budynkach, a także rozkład temperatur oraz prędkość, z jaką przemieszczać się będzie dwutlenek węgla i inne groźne substancje wydzielane w trakcie pożaru. W związku, z czym rzetelnie przeprowadzona analiza CFD jest w stanie skontrolować projekt pod względem skuteczności zastosowanych w nim rozwiązań, wskazać, jaki należy dobrać system oddymiania w danych warunkach, a także którą klasę odporności ogniowej wybrać dla komponentów systemu oddymiania.

Procedury wykonania analizy CFD

W ostatnich latach pomimo rosnącej popularności stosowania metod inżynierii pożarowej, która ma za zadanie wspomóc, projektować skuteczne systemy bezpieczeństwa, brakowało wciąż jasnych i czytelnych wskazówek co do tego, jak od praktycznej strony maksymalnie wykorzystywać takie narzędzia jak analizy CFD. Dlatego też na przełomie 2012 i 2013 roku szwedzkie Towarzystwo Inżynierów Ochrony Pożarowej opracowało wytyczne, które wspomagają wyznaczanie czasu ewakuacji użytkowników danych budynków z wykorzystaniem metody CFD.

Wytyczne te zostały oparte na najpopularniejszym, także w Polsce programie do wykonywania analiz rozprzestrzeniania dymu i rozwoju pożaru FDS. Obejmują one 7 kroków, które zastosowane po sobie pozwalają zaprojektować skuteczny system oddymiania klatek schodowych i budynków.

Pierwszy etap pracy przy wykonywaniu symulacji komputerowej CFD ma za zadanie sprecyzowanie tego, co będzie analizowanie i w jakim celu. Punkt ten ściśle wiąże się z parametrami pożaru, a także założeniami poddawanymi do weryfikacji w trakcie dokonywanej symulacji. Na tej podstawie definiowane są scenariusze pożaru, jakie należy przeprowadzić w trakcie analiz. Według szwedzkich wytycznych opracowanych przez SFPE wyróżnia się trzy scenariusze pożarów, które zaleca się zastosować w tym samym czasie lub opcjonalnie:

1. Scenariusz zakładający maksymalną moc pożaru w danym obiekcie lub na klatkach schodowych oraz maksymalną ilość dymu, która może powstać przy założeniu, że wszystkie urządzenia ppoż. działają prawidłowo.
2. Scenariusz zakładający ukryty pożar w częściach budynku nieobjętych systemem pożarowym, w których nie przebywają osoby, jednak przylegających do części budynku, w którym mogą się one znajdować.
3. Scenariusz zakładający awarie jednego z systemów przeciwpożarowych, która nie będzie połączona z wystąpieniem największej mocy pożaru.

Po dobraniu właściwego scenariusza konieczne jest dokonanie wyboru właściwego modelu obliczeniowego, który określany jest na podstawie złożoności danego budynku oraz celu przeprowadzanej analizy. Po tym etapie można przejść już do obliczeń właściwych, mając na uwadze przyjęcie odpowiednich założeń i danych wyjściowych, które powinny być udokumentowane oraz możliwe do zidentyfikowania.

Tak dokonana analiza CFD wymaga oceny wiarygodności i porównania z postawionymi celami i danymi kryteriami. W trakcie dokonywania opracowania wyników obliczeń niezbędne jest dokonanie analizy czułości, która wskazuje wpływ każdego z parametrów na otrzymany wynik. Końcowym etapem przeprowadzania analizy CFD jest natomiast wykonanie dokumentacji, która będzie podstawą do zastosowania danego systemu oddymiania.

Wykonywanie analizy obliczeniowej mechaniki płynów w przypadku systemów oddymiania klatek schodowych

Wykonywanie symulacji komputerowych z wykorzystaniem CFD wykorzystywane jest podczas projektowania systemów oddymiania klatek schodowych, w przypadku gdy w danym obiekcie mamy do czynienia z jednym z przykładowo przedstawionych poniżej warunków:

• powierzchnia klatki schodowej nie zależnie na której kondygnacji jest większa niż 40 m kwadratowych,
• klatka schodowa połączona jest z przyległymi pomieszczeniami i holami, a długość dojścia do najbardziej oddalonych drzwi jest większa niż 5 m,
• szerokość korytarzy klatki przekracza 3 m,
• klatka schodowa posiada i nietypową dla przepisów pożarowych architekturę,
• klatka schodowa jest jedną z dróg ewakuacyjnych w budynkach wysokich.

Cała procedura wykonania analizy CFD w tym przypadku jest identyczna z przedstawioną w powyższym paragrafie, z uwzględnieniem w modelach obliczeniowych przestrzeni klatki schodowej wraz ze schodami, spoczynkami, drzwiami oraz oknami, a także innymi czynnikami, które mógłby mieć wpływ na przepływ powietrza w obiekcie w momencie wystąpienia pożaru.

Sama analiza CFD powinna być natomiast przeprowadzona tak, aby system oddymiania klatki schodowej był aktywowany po czasie 360 sekund. Dzięki czemu ocena jego skuteczności będzie bardziej wiarygodna. Analiza powinna także brać pod uwagę różnorodne warunki pogodowe charakterystyczne dla naszego kraju takie jak: warunki letnie, izotermiczne oraz zimowe.

Cały proces analizowania najlepiej, aby zamykał się w 20 minutach, liczonych od początku aktywacji źródła testowego do czasu osiągnięcia kryteriów określających skuteczność danego systemu oddymiania.

Inwestor może być pewny skuteczności systemu oddymiania klatki schodowej w momencie gdy w systemie oddymiania z nawiewem mechanicznym po uruchomieniu go dym przemieszcza się swobodnie w kierunku klap i urządzeń oddymiających, a czas oddymiania klatki nie jest dłuższy od iloczynu tempa oddymiania wyrażonego działaniem 18s razy metr wysokości pomieszczenia.

Podsumowując, wykonanie analizy CFD pozwala na dokładne sprawdzenie tego, czy zaprojektowany system oddymiania w danych budynkach spełni swoje zadanie w momencie wystąpienia zagrożenia. Pomaga określić czas bezpiecznej ewakuacji, prognozować wartości temperatur i przejrzystości dróg ewakuacyjnych oraz zweryfikować poprawność działania całej instalacji.

Więcej informacji na temat systemów oddymiania znajdą Państwo na stronie:www.systemyflortech.pl