Wysokie hale, pasaże i atria, charakteryzujące się dużą wysokością stropów nad poziomem podłogi, stanowią wyzwanie dla skutecznego współdziałania systemów oddymiania i instalacji tryskaczowej. W takich warunkach krople wody z instalacji tryskaczowej mogą ulec odparowaniu, zanim dotrą do źródła pożaru, co znacząco obniża efektywność systemu oddymiającego. Podobnie, umieszczenie tryskaczy pod kopułą atrium może zaburzyć ich działanie w przypadku pożaru w przyległych pomieszczeniach.
Współdziałanie instalacji tryskaczowych i wentylacji oddymiającej
Kwestie te są poruszane w dokumentach takich jak raport techniczny CEN/TR 12101-5:2005 oraz standard BS 7346-4. W przypadku łącznego stosowania obu systemów w celu ochrony dróg ewakuacji, główną rolę odgrywa instalacja wentylacji oddymiającej, podczas gdy instalacja tryskaczowa pełni funkcję wspierającą, ograniczając rozwój pożaru do czasu przybycia służb ratowniczych. Jeśli jednak obie instalacje mają chronić mienie, priorytetem staje się instalacja tryskaczowa.
W sytuacjach, gdy czas przyjazdu straży pożarnej jest wydłużony, zaleca się opóźnienie uruchomienia systemów oddymiających do momentu ich przybycia lub zastosowanie jedynie ręcznego ich uruchomienia. FM Global Data Sheets (DS) generalnie nie zaleca stosowania wentylacji oddymiającej w obiektach chronionych instalacją tryskaczową, dopuszczając odstępstwo jedynie w przypadku ręcznego uruchomienia systemu oddymiania. W przypadku automatycznego uruchomienia i zastosowania tryskaczy ESFR, temperatura zadziałania klap dymowych powinna wynosić 182°C.
Projektowanie zintegrowanych systemów oddymiania i tryskaczy, nawet w pozornie prostych obiektach wielkopowierzchniowych, często nastręcza projektantom wielu trudności. Przedstawione standardy i wyniki badań naukowych nie zawsze dostarczają jednoznacznych odpowiedzi dotyczących koordynacji współpracy tych systemów. Należy pamiętać, że montaż tryskaczy nie zawsze jest uzasadniony, a wyniki badań bywają sprzeczne.
Zastosowanie analiz CFD w projektowaniu systemów przeciwpożarowych
Wykorzystanie numerycznych analiz mechaniki płynów, czyli tzw. symulacji pożaru (CFD), w procesie projektowania wielkokubaturowych obiektów logistycznych jest w Polsce praktykowane od kilku lat i jego znaczenie stale rośnie. Metoda ta pozwala na przewidywanie przepływu masy i ciepła generowanych podczas pożaru, analizę przemieszczania się dymu i ciepła, a także ocenę skuteczności zastosowanych technicznych systemów zabezpieczeń, takich jak wentylacja pożarowa czy instalacje tryskaczowe.
Symulacja CFD oddymiania garażu podziemnego
Analizy CFD umożliwiają precyzyjne przewidzenie zachowania się dymu i ciepła w określonym scenariuszu pożarowym. Dzięki temu można ocenić skuteczność zastosowanych systemów zabezpieczeń, takich jak wentylacja pożarowa, podział na strefy dymowe czy działanie instalacji tryskaczowej. Pozwala to na uniknięcie błędów już na etapie projektowania budynku oraz optymalizację kosztów ochrony przeciwpożarowej.
Przykład 1: Ocena skuteczności grawitacyjnego systemu oddymiania w magazynie wysokiego składowania
W ramach pierwszej analizy omówiono ocenę skuteczności grawitacyjnego systemu oddymiania zaprojektowanego według standardu NFPA 204 dla magazynu wysokiego składowania. Celem było zweryfikowanie rozwiązania polegającego na rezygnacji z kurtyn dymowych dzielących każdą z trzech stref pożarowych na dwie strefy dymowe. Zgodnie z przyjętym standardem projektowania, wymagane było wykonanie kurtyny dymowej w osi budynku wzdłuż jego dłuższego boku. Ze względu na przeszkody konstrukcyjne i brak technicznych możliwości montażu kurtyn dymowych, a także uwzględniając wymagania eksploatacyjne obiektu, projektant dopuścił wykonanie systemu oddymiania bez kurtyn, zaznaczając, że takie niestandardowe rozwiązanie powinno zostać sprawdzone poprzez symulację rozwoju pożaru.
Obiekt podzielono na trzy strefy oddymiania, oddzielone ścianami oddzielenia pożarowego. Przeprowadzono symulację CFD, uwzględniając dane dotyczące instalacji tryskaczowej i projektu systemu oddymiania grawitacyjnego. W analizowanej strefie przewidziano 30 klap dymowych o łącznej powierzchni geometrycznej 135 m² oraz 5 bram napowietrzających o łącznej powierzchni geometrycznej 48 m².
Założono lokalizację pożaru u podstawy regału w centralnej części strefy pożarowej (dymowej). Ze względu na zastosowanie instalacji tryskaczowej, moc pożaru uzależniono od szybkości jej zadziałania. Przyjęto niekorzystny scenariusz, w którym instalacja tryskaczowa nie ugasi pożaru, lecz jedynie ograniczy jego rozwój. Określono parametry charakteryzujące czas potrzebny do uruchomienia instalacji tryskaczowej od momentu powstania pożaru, takie jak wysokość montażu tryskaczy, szybkość zadziałania RTI, temperatura zadziałania i rozstaw siatki tryskaczowej.
Zgodnie z założeniami projektowymi, uruchomienie systemu oddymiania miało nastąpić po zadziałaniu instalacji tryskaczowej (sygnał z ZKA) oraz co najmniej jednej czujki dymu w strefie pożaru. Otwarcie klap dymowych i otworów napowietrzających przewidziano na około 250 sekundę symulacji. Kryteriami oceny wyników symulacji były: stabilizacja grubości warstwy dymu i temperatury po zadziałaniu instalacji tryskaczowej oraz zapewnienie spełnienia wymagań dotyczących ewakuacji, widoczności i temperatury. Oszacowano, że wymagany czas bezpiecznej ewakuacji (WCBE) z przestrzeni hali nie powinien przekroczyć 320 sekund.
Wyniki symulacji dla kryterium grubości warstwy dymu i widoczności wykazały, że rezygnacja z kurtyn dymowych nie wpłynęła negatywnie na funkcjonowanie zaprojektowanego grawitacyjnego systemu oddymiania.
Przykład 2: Analiza porównawcza współdziałania instalacji oddymiania i tryskaczowej w budynku magazynowym
Kolejny przykład dotyczy problemu współdziałania instalacji oddymiania oraz instalacji tryskaczowej w budynku magazynowym z wymaganą funkcją przewietrzania. Problem ten wynika z pozornej sprzeczności zapisów w standardach NFPA 204 i NFPA 13, co często prowadzi do wniosku, że w przypadku stosowania w budynku instalacji gaśniczej wodnej z tryskaczami ESFR, niedopuszczalne jest stosowanie przewietrzania z wykorzystaniem klap w dachu.
Na potrzeby analizy wykonano dwie symulacje. W symulacji nr 1 założono, że klapy dymowe przeznaczone do przewietrzania pozostają zamknięte w momencie powstania pożaru zlokalizowanego bezpośrednio pod jedną z nich. W symulacji nr 2 przyjęto, że klapy te pozostają otwarte. Kopuły klap były otwarte na wysokość 30 cm. W obu symulacjach założono, że w momencie powstania pożaru jedna z bram załadowczych w analizowanej strefie dymowej jest otwarta.
Zaobserwowano, że czas potrzebny do osiągnięcia temperatury otwarcia tryskacza w sąsiedztwie klapy przewietrzającej był o około 40 sekund dłuższy w przypadku otwartych klap niż w przypadku zamkniętych. Aby zniwelować ten niekorzystny wpływ, zalecono automatyczne zamykanie klap przewietrzających bezpośrednio po wykryciu pożaru przez czujki dymu zlokalizowane w ich świetle. System czujek powinien umożliwiać jednoczesne zamknięcie wszystkich klap w strefie pożarowej w wyniku wykrycia pożaru przez dowolną czujkę.
Przykład 3: Analiza rozkładu temperatur na potrzeby odporności ogniowej stalowych elementów konstrukcji dachu
Trzeci przykład dotyczy analizy rozkładu temperatur w celu oceny odporności ogniowej stalowych elementów konstrukcji dachu. W Polsce projektowanie konstrukcji na wypadek pożaru zazwyczaj opiera się na wymaganiach przepisów technicznych i norm, a odporność ogniową określa się na podstawie badań elementów poddanych działaniu pożarów nominalnych, czyli zgodnie z zależnościami temperatura-czas.
Polskie regulacje dopuszczają również projektowanie konstrukcji z wykorzystaniem koncepcji naturalnego bezpieczeństwa pożarowego, która jest pracochłonna, ale może prowadzić do znacznych obniżeń kosztów inwestycji. Metoda ta uwzględnia naturalne modele pożarów, co pozwala na uwzględnienie wielu parametrów niebranych pod uwagę w modelach pożarów nominalnych. Jest ona przewidziana do stosowania w eurokodach.
W ramach analizy CFD oceniono możliwość rezygnacji z zabezpieczania stalowej konstrukcji nośnej dachu w budynku magazynu wysokiego składowania, przy zachowaniu wymaganej odporności ogniowej R15. Celem było potwierdzenie, że w wymaganym czasie nie zostanie przekroczone kryterium temperatury krytycznej, wyznaczonej zgodnie z eurokodami.
Analiza komputerowa rozkładu temperatur gazów pożarowych prowadzona była na dwóch rodzajach modeli: „dużych” - kompleksowych, obejmujących całą geometrię analizowanego obszaru wraz z systemami wentylacji i tryskaczowym, oraz „małych” - odzwierciedlających pożar, element konstrukcyjny i tryskacze. W symulacji wykorzystano model tryskaczy.
W celu zbadania rozkładu temperatur w strefie podsufitowej wybrano zjawiska pożarowe stwarzające największe zagrożenie dla konstrukcji. Do oceny mocy pożaru na najwyższej półce regałów posłużono się programem DETACT T2. Przyjęto, że największy wpływ na konstrukcję dachu będzie miał pożar zlokalizowany na najwyższej półce magazynu.
Zaobserwowano znaczący przyrost temperatury gazów pożarowych na wysokości dolnego pasa kratownicy, z maksymalną odnotowaną temperaturą około 420 °C. Ze względu na niewielką odległość pomiędzy dolną belką kratownicy a obszarem składowania, zaobserwowano przyrost temperatury mogący powodować przekroczenie wartości temperatury krytycznej w elementach konstrukcji dachu (oszacowanej na około 520 °C). Wyniki te wskazują na konieczność zabezpieczenia dolnego pasa kratownicy do wymaganej klasy R15 i rezygnacji z zabezpieczenia pozostałych elementów kratownicy.
Podsumowanie
Przedstawione przykłady pokazują szeroki zakres możliwości wykorzystania analiz numerycznej mechaniki płynów w procesie projektowania systemów ochrony przeciwpożarowej. W najbliższym czasie można spodziewać się wzrostu wykorzystania symulacji, zwłaszcza w kontekście możliwości projektowania konstrukcji na warunki pożarowe zgodnie z procedurami wynikającymi z eurokodów. Inżynieria bezpieczeństwa pożarowego, oparta na metodach takich jak obliczeniowa mechanika płynów (CFD), modelowanie wieloagentowe czy metody Monte Carlo, przyczynia się do istotnej poprawy bezpieczeństwa ludzi i ochrony mienia.
Analizy CFD pozwalają na wiarygodne odwzorowanie działania technicznych systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych oraz określenie scenariusza ich działania, co umożliwia optymalizację projektowanych rozwiązań i redukcję kosztów.
tags: #oprogramowanie #oddymianie #i #tryskacze