Pístový efekt výtahů ve stavebních objektech

Transkript

1 Pístový efekt výthů ve stvebních objektech Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hsičský záchrnný sbor Morvskoslezského krje úzení odbor Opv Těšínská 39, Opv e-il: Klíčová slov Pístový efekt, výthová šcht, kbin, tlkové poěry, tok vzduchu Abstrkt Výthy jsou neodyslitelnou součástí většiny oderních vícepodlžních stvebních objektů. Výthové šchty předstvují v přípdě požáru jednu z ožných cest šíření kouře. Tlkové diference vznikjící pohybe výthové kbiny ohou ovlivnit pohyb plynů v objektu nvržený systé kontroly kouře. Anlýzou pístového efektu lze posoudit negtivní působení pohybu kbiny výthu nvrhnout systé recipročních optření k zezení šíření kouřových plynů do dlších částí stvebního objektu. Úvod Výthy ve stvebních objektech lze z hledisk jejich činnosti v přípdě požáru rozdělit n výthy, které nejsou vybveny určeny k provozování při požáru výthy, které jsou určeny pro evkuci osob (evkuční výthy) nebo pro zjištění záshu hsičských jednotek (požární výthy). N výthy v běžné provedení jsou technickýi právníi předpisy n úzeí ČR souvisejícíi s požární ochrnou kldeny poždvky zején s ohlede n zezení šíření požáru výthovýi šchti do dlších částí objektu (tvorb sosttných požárních úseků) v doporučující rovině stnoveny poždvky n zezení šíření kouře (odvětrání výthových šchet). U stvebních objektů o určitých pretrech (npř. stvby jící více než tři ndzení užitná podlží, v nichž se trvle nebo prvidelně vyskytuje více než 10 osob s oezenou schopností pohybu orientce kde evkuci těchto osob nelze zjistit jiný způsobe) je poždován instlce výthů evkučních. U objektů vyšších než 45 se požduje instlce požárních výthů pro rychlou doprvu zshujících hsičských jednotek do všech podlží objektu. Poždvky n provedení vybvení evkučních požárních výthů jsou vyezeny příslušnýi předpisy [4, 5]. Technické ožnosti relizce výthových šchet jsou znčně roznité. Příkldy vrintních řešení jsou znázorněny n obr. 1. 1

2 Obr. 1 Příkldy ožných vrint relizce výthových šchet ve stvebních objektech V přípdě, že jsou výthy v provozu při požáru, je nutné zkout jejich účinky n ožné šíření jevů, které rozvoj požáru doprovázejí. Dále bude pozornost zěřen zején n přípdné šíření kouře výthovýi šchti do jiných částí objektu nebo požárních úseků. Pohybující se výthová kbin je příčinou vzniku tlkových diferencí v dílčích částech výthové šchty. Popisovný děj oznčujee jko tzv. pístový efekt výthu. Při klesání výthové kbiny dochází nd výthovou kbinou ke vzniku podtlku pod kbinou ke vzniku přetlku (při stoupání výthové kbiny je efekt obrácen). Vznike podtlku nebo přetlku v dílčích částech výthové šchty ůže docházet k přisávání nebo vytlčování kouřových plynů z prostor, které jsou zsženy požáre. Pohyb plynů vyvolný pístový efekte ůže způsobit šíření kouřových plynů do dlších částí stvby součsně ůže negtivně ovlivnit činnost nvrženého systéu kontroly kouře. Anlýz pístového efektu Zhrničníi utory byl proveden nlýz pístového efektu výthu, včetně tetického vyjádření [1,, 3]. Anlýz byl zěřen n pohyb výthové kbiny v jednotlivé výthové šchtě n pohyb jednotlivého výthu ve výthové šchtě pro více výthů. Následující odstvce budou zěřeny n popis zíněné nlýzy pístového efektu výthové kbiny klesjící z horních podlží sěre dolů. Z důvodu zjednodušení nlýzy pístového efektu byly znedbány osttní vlivy, které působí n pohyb plynů ve stvebních objektech tedy tké n pohyb plynů ve výthových šchtách (npř. vztlk, vítr, koínový efekt, vliv vzduchotechnických zřízení vytápění). Anlyzovná situce pohybu výthové kbiny je znázorněn n obr..

3 Strojovn výthu Q, P o δp li 9.NP N Výchozí pozice kbiny A sl A li A 8.NP io P o Kbin výthu A f 7.NP 6.NP Q b, P b 5.NP Výthová šcht 4.NP N b 3.NP.NP bo 1.NP A s Obr. Anlyzovná situce pohybu výthové kbiny ve výthové šchtě Obje plynů (svzek) nd výthovou kbinou je pro potřeby popisovné nlýzy oznčen jko Q, obje plynů (svzek) pod výthovou kbinou je oznčen jko Q b. Závislost rychlosti zěny svzku Q n hotnostní toku plynů do svzku lze popst rovnicí d o + b = ( ρ. Q ) [kg.s -1 ] (1) dt Objey plynů svzků Q Q b jsou z důvodu pohybu kbiny výthu proěnné. Pro výthovou kbinu pohybující se výthovou šchtou o průřezu A s rychlosti v k lze zěnu objeu svzku Q popst rovnicí dq dt = A. v [ 3.s -1 ] () s k 3

4 Substitucí rovnice () do rovnice (1) lze psát o + = ρ A v [kg.s -1 ] (3) b s k Při konstrukčních návrzích oderních výthů bývá klden poždvek zején n plynulost jízdy rychlost výthové kbiny. Kbiny výthů doshují rychlosti pohybu v nohých přípdech ž 10.s -1 (hodnoty ohou být i vyšší) zrychlení 1,.s -. Dob pohybu výthové kbiny jední poschodí činí zprvidl 4 ž 5 s. Ve většině přípdů dojde ke zrychlení pohybu výthové kbiny v průběhu jednoho podlží objektu. Z důvodu reltivně krátkého období zrychlení, je vliv zrychlení n pístový účinek v prezentovné nlýze znedbán. Hotnostní tok plynů z vnější strny objektu do svzku Q lze popst rovnicí o e ( P P ) = N C A ρ [kg.s -1 ] (4) o Hotnostní tok plynů z prostoru pod kbinou výthu (svzek Q b ) do vnějšího prostoru lze popst rovnicí bo b e ( P P ) = N C A ρ [kg.s -1 ] (5) b o Z předpokldu, že hodnot bsolutního tlku ve výthové šchtě je konstntní, hotnostní tok plynů přitékjící do šchty odpovídá toku plynů, který z šchty vytéká. Úprvou rovnic (4) (5) lze psát rovnici Pb P o Po P N = N b Hotnostní tok plynů z prostoru pod kbinou výthu (svzek Q b ) do prostoru nd kbinou výthu (svzek Q ) lze popst rovnicí b f c ( P P ) = A. C ρ [kg.s -1 ] (7) b Hodnoty výtokového součinitele C c pro tok plynů kole výthové kbiny byly zkouány n pohybu výthové kbiny v šchtě pro dv výthy. Anlýzou výsledků byly stnoveny hodnoty výtokového součinitele pro tok plynů kole výthové kbiny C c = 0,94 při pohybu jednoho výthu (šcht pro dv výthy) C c = 0,83 při pohybu obou výthu v šchtě []. Kobincí rovnic 3, 4, 6 7 lze vyjádřit rozdíl ezi tlke ve vnější prostoru tlke plynů nd kbinou výthu P P o ρ = A. v s k 1 ( / ) N C Ae + Cc Af + N Nb (6) [P] (8) Pro tok plynů dle obr. 1, lze účinnou plochu proudění plynů n podlží ezi šchtou vnější prostore A e stnovit rovnicí 1 A e = + + Asl Ali A [ ] (9) io Jednou ze stěžejních zkouných hodnot pístového efektu výthu n pohyb plynů v objektu je tlkový rozdíl ezi předsíni výthu budovou δp li. Tlkový rozdíl ezi předsíni výthu budovou lze vyjádřit rovnicí 4

5 Ae δ P = ( ) li Po P [P] (10) Ali Substitucí rovnice (8) do rovnice (10) lze vyjádřit tlkový rozdíl ezi předsíni výthu budovou rovnicí ( A / A ) ρ A v δ P = [P] (11) li s k e li 1 ( / ) N C Ae + Cc Af + N N b Nejvyšší hodnotu tlkového rozdílu δp li lze stnovit z předpokldu, že nd kbinou výthu nejsou již dlší podlží (N = 0). V dné přípdě lze rovnici (11) uprvit n tvr ρ A s Ae vk δ Pli = [P] (1) Af Ali Cc kde A e účinná ploch proudění plynů n podlží ezi šchtou vnější prostore [ ] A f ploch ezi výthovou šchtou kbinou výthu [ ] A s ploch výthové šchty [ ] A io ploch proudění plynů ezi vnitřní prostore budovy vnější prostore [ ] A li ploch proudění plynů ezi předsíni výthu vnitřní prostore budovy [ ] A sl ploch proudění plynů ezi výthovou šchtou předsíni [ ] C výtokový součinitel otvorů n podlžích [-] C c výtokový součinitel pro tok plynů kole výthové kbiny [-] b hotnostní tok plynů z prostoru pod kbinou výthu (Q b )do svzku Q [kg.s -1 ] bo hotnostní tok plynů z prostoru pod kbinou výthu do vnějšího prostoru [kg.s -1 ] o hotnostní tok plynů z vnější strny do svzku Q [kg.s -1 ] N počet podlží nd kbinou výthu [-] N b počet podlží pod kbinou výthu [-] P tlk plynů nd kbinou výthu [P] P b tlk plynů pod kbinou výthu [P] P o tlk vnějšího vzduchu [P] Q svzek plynů [ 3.s -1 ] v k rychlost pohybu výthové kbiny [.s -1 ] δp li tlkový rozdíl ezi předsíni výthu budovou [P] ρ hustot vzduchu [kg. -3 ] Mtetické vyjádření obráceného pohybu výthové kbiny v šchtě (stoupání kbiny) je principiálně shodné s výše popsnou nlýzou klesjící výthové kbiny. Stnovení kritického hotnostního toku k vyrovnání účinků pístového efektu Pro zezení účinků pístového efektu lze dle [] stnovit iniální hodnoty hotnostních toků vzduchu, které je nutné dodávt do výthové šchty. Hodnoty budou dále oznčeny jko kritické hotnostní toky vzduchu crit. Pro stnovení hodnoty kritického hotnostního toku je význný způsob dodávky vzduchu do výthové šchty. Při prktických plikcích je vzduch dodáván jednostrnnou ventilcí 5

6 (pod nebo nd výthovou šchtou) nebo dvoustrnnou ventilcí (pod i nd výthovou šchtou). Hodnotu iniálního kritického toku vzduchu při jednostrnné ventilci lze stnovit rovnicí N A C tot e crit, 1 = ρ As vk [kg.s -1 ] (13) Af Cc Hodnotu iniálního kritického toku vzduchu při dvoustrnné ventilci (celkově z obou strn) lze stnovit rovnicí crit, ρ As v k = A f Cc 1+ N A C tot e [kg.s -1 ] (14) kde A e účinná ploch proudění plynů n podlží ezi šchtou vnější prostore [ ] A f ploch ezi výthovou šchtou kbinou výthu [ ] A s ploch výthové šchty [ ] C výtokový součinitel [-] C c výtokový součinitel pro tok plynů kole výthové kbiny [-] crit,1 iniální hodnot kritického toku vzduchu při jednostrnné ventilci [kg.s -1 ] crit, iniální hodnot kritického toku vzduchu při dvoustrnné ventilci [kg.s -1 ] crit,(50%) poloviční iniální hodnot kritického toku vzduchu při dvoustrnné ventilci (dodávk pod nebo nd výthovou šchtou) [kg.s -1 ] N tot celkový počet podlží v objektu [-] v k rychlost pohybu výthové kbiny [.s -1 ] ρ hustot vzduchu [kg. -3 ] Aplikce tetické nlýzy pístového efektu vznikjícího při pohybu kbiny výthu V následujících odstvcích jsou prezentovány výsledné hodnoty tlkových diferencí hotnostních toků plynů v jednotlivých částech výthové šchty způsobených pohybe výthové kbiny. Součsně jsou stnoveny hodnoty kritických toků plynů pro zezení šíření kouře do výthové šchty. Hodnoty byly stnoveny s využití tetických vzthů popisovných v předchozích částech příspěvku. Rovnice rozvedené při tetické nlýze pístové efektu byly plikovány n výthově šchtě dle obr. prostupující 9 podlžíi objektu o ploše výthové šchty A s = 5,5, ploše ezi výthovou šchtou kbinou výthu A f =, rychlostech pohybu výthové kbiny,5 10.s -1, hodnotách výtokových součinitelů C = 0,65 C c = 0,94. Výthová kbin byl uístěná v 8 podlží objektu pohybovl se sěre dolů. Pro názornost rozdílů stnovených výpočte byly siulovány dvě situce dveřní otvory n podlžích okenní otvory ezi budovou vnější prostředí jsou uzvřeny (účinná ploch proudění plynů n podlží ezi šchtou vnější prostore A e = 0,0116 ), dveřní otvory n podlžích okenní otvory ezi budovou vnější prostředí jsou 6

7 otevřeny (účinná ploch proudění plynů n podlží ezi šchtou vnější prostore A e = 1,108 ). Pro zjednodušení výpočtů jsou předpokládány shodné rozěry otvorů A io, A li A sl ve všech podlžích. Výstupní hodnoty tlkových diferencí hotnostních toků plynů získné rovnicei popisovnýi při tetické nlýze pístového efektu jsou uvedeny v tb. 1. Tb. 1 Výsledné hodnoty tlkových diferencí vznikjících působení pístového efektu při pohybu výthové kbiny Oznčení Výsledné hodnoty tlkových diferencí [P] tlkové A diference e = 0,0116 A e = 0,0116 A e = 1,108 A e = 1,108 v k =,5.s -1 v k = 10.s -1 v k =,5.s -1 v k = 10.s -1 P o - P 31,0 499,6 16,53 64,55 P b - P o 0,637 10,18 0,337 5,39 P b - P 31,84 509,45 16,87 69,95 δp li 15,34 45,48 8,17 130,76 δp li, x 15,78 5,49 15,86 53,8 Výsledné hodnoty tlkových diferencí vznikjících pístový efekte výthové kbiny uvedené v tb. 1 jsou znázorněny n obr Tlková diference [P] Rychlost výthové kbiny v k [.s -1 ] Po-P Pb-Po Pb-P Obr. 3 Výsledné hodnoty tlkových diferencí vznikjících pístový efekte výthové kbiny Srovnání hodnot uvedených v tb. 1 obr. 3 lze dospět k závěru, že ke vzniku nejvyšších tlkových diferencí dochází v prostorách výthové šchty ezi části nd pod kbinou výthu (P b - P ) ezi okolní prostředí prostore nd kbinou výthu (P o - P ). Tlkové diference ezi prostore pod kbinou výthu vnější prostředí (P b - P o ) jsou 7

8 znedbtelné. Z význné lze povžovt rovněž vysoké hodnoty tlkových diferencí ezi předsíni výthu budovou δp li. Tb. Výsledné hodnoty hotnostních toků plynů vznikjících působení pístového efektu při pohybu výthové kbiny Oznčení Výsledné hodnoty hotnostních toků plynů [kg.s -1 ] hotnostního A tok plynů e = 0,0116 A e = 0,0116 A e = 1,108 A e = 1,108 v k =,5.s -1 v k = 10.s -1 v k =,5.s -1 v k = 10.s -1 o 0,065 0,6 4,53 18,14 bo 0,065 0,6 4,53 18,14 b 16,43 65,78 11,96 47,85 crit,1 0,598,39 56,88 7,55 crit,(50%) 0,94 1,174 10,44 41,77 Výsledné hodnoty hotnostních toků plynů vznikjících pístový efekte výthové kbiny uvedené v tb. jsou znázorněny n obr Hotnostní tok plynů o, b [kg.s -1 ] Kritický hotnostní tok crit [kg.s -1 ] Rychlost výthové kbiny v k [.s -1 ] o b crit,1 crit,(50%) Obr. 4 Výsledné hodnoty hotnostních toků plynů vznikjících pístový efekte výthové kbiny N zákldě hodnot uvedených v tb. obr. 4 lze konsttovt, že k nejvýznnější toků plynů dochází v prostorách výthové šchty ezi části nd pod kbinou výthu ( b ). Poždvek n kritické nožství vzduchu pro zezení šíření kouřových plynů výthovou šchtou je nejvýznnější při jednostrnné ventilci crit,1. Poždovná dodávku vzduchu při oboustrnné ventilci crit, je podsttně enší. Z obr. 4 je dále ptrné, že s nrůstjící rychlostí pohybu kbiny výthu dochází k nárůstu poždvku n dodávku kritického nožství vzduchu. 8

9 Závislost tlkových diferencí ezi předsíni výthu budovou δp li kritického hotnostního toku vzduchu crit n rychlost pohybu kbiny výthu je znázorněná n obr Tlková diference [P] ,5 1,5 1 0,5 Kritický hotnostní tok crit [kg.s -1 ] Rychlost výthové kbiny v k [.s -1 ] dpli crit,1 crit,(50%) Obr. 5 Závislost tlkových diferencí ezi předsíni výthu budovou kritického hotnostního toku vzduchu n rychlost pohybu kbiny výthu Obr. 5 byl zprcován pro přípd uzvřených dveřních otvorů n podlžích okenních otvorů ezi budovou vnější prostředí (účinná ploch proudění plynů n podlží ezi šchtou vnější prostore A e = 0,0116 ). Osttní vstupní hodnoty odpovídjí předchozíu zdání. Experientální ěření pístového efektu vznikjícího při pohybu kbiny výthu Účinek pístového efektu byl ěřen hodnocen tké experientálně [1]. Jeden z experientů byl proveden n výthové šchtě objektu hotelu v Ontriu. Výthová šcht procházel 15 podlžíi plochy pro proudění plynů ezi výthovou šchtou okolní prostředí A io, A li A sl byly lých rozěrů (hodnoty chrkterizovly převážně uzvřené otvory v konstrukcích). Při rychlosti pohybu výthové kbiny 1,73.s -1 byly něřeny nejvyšší hodnoty δp li = 16 P. Při rychlosti pohybu výthové kbiny 10.s -1 byly něřeny nejvyšší hodnoty δp li = 535 P. V přípdě, že byl výthová kbin uístěná v šchtě pro více výthů, byl něřen nejvyšší hodnot δp li = 36 P při rychlosti pohybu výthové kbiny 10.s -1. Něřené hodnoty tlkových diferencí hotnostních toků plynů způsobené vlive pístového efektu odpovídly v přijtelných ezích hodnotá získný rovnicei popisovnýi v čsti nlýzy pístového efektu. 9

10 Zevšeobecnění pozntků získných plikcí tetické nlýzy pístového efektu výthů provedenýi experienty Z předchozích odstvců je zřejé, že pístový efekt vznikjící pohybe výthové kbiny ůže negtivně ovlivnit činnost zřízení pro kontrolu kouře instlovných ve stvebních objektech způsobit šíření kouřových plynů do dlších prostor objektu požárních úseků. Ke vzniku nejvýznnějších tlkových diferencí ezi okolní prostředí výthovou šchtou vlive pístového účinku výthů dochází při pohybu výthové kbiny v šchtě pro jeden výth. Pohybe výthové kbiny v šchtě pro více výthů dochází ke vzniku podsttně enších tlkových diferencí. Tlkové rozdíly ezi okolní prostředí výthovou šchtou vlive pístového účinku výthů se zvyšují s nrůstjící rychlostí pohybu výthové kbiny v šchtě. Z nejéně příznivou vrintu lze povžovt přípd výthové šchty pro jeden výth s kbinou pohybující se velkou rychlostí. Pro většinu výthových šchet lze výpočte stnovit kritické nožství vzduchu crit prezentovnýi rovnicei, které zbrání působení negtivního účinku pístového efektu vyvolného pohybe výthové kbiny zezí šíření kouřových plynů výthovou šchtou do dlších podlží objektu. Obecně se jko vhodnější jeví systéy dvoustrnné ventilce. Popisovná nlýz pístového efektu výthu, plikce prezentovných tetických vzthů n konkrétní přípd výsledky experientů dokuentují, že klsické pojetí principů požární bezpečnosti stveb spočívjící v požární oddělení výthových šchet do dílčích požárních úseků neusí zbránit šíření kouřových plynů stvební objekte. U určitých typů stvebních objektů (zején objektů výškového chrkteru) je nutné posoudit pístový efekt výthů nvrhnout odpovídjící systé optření. Litertur [1] Tur, T.G.: Soke Moveent nd Control in High-rise Buildings. Quincy, Ntionl Fire Protection Assocition, 1994, s. 3-8, ISBN [] Klote, H.J.: An Anlysis of the Influence of Piston Effect on Elevtor Soke Control. Githersburg, U.S. Deprtent of Coerce, Ntionl Bureu of Stndrds, Ntionl Engineering Lbortory, Center for Fire Reserch, 1988, s [3] Klote, H.J., Tur, T.G.: Elevtor Piston Effect nd the Soke Proble. Cnd, Fire Sfety Journl Vol. 11, No., 1986, s [4] ČSN Požární bezpečnost stveb - Nevýrobní objekty. Prh, Český norlizční institut, 000, 117 s. [5] ČSN Požární bezpečnost stveb - Výrobní objekty. Prh, Český norlizční institut, 00, 14 s. 10