Atypické řešení oddělení tunelových trub při požáru v místě systému provozního větrání Požadavky na tunely Dopravní systém, zejména transevropská silniční síť, sehrává důležitou úlohu při podpoře evropské integrace. Evropské společenství odpovídá za zajištění jednotné, minimální a trvalé úrovně bezpečnosti a pohodlí pro uživatele transevropské silniční sítě. Významnou součástí transevropské silniční sítě jsou tunely, především o délce větší než 500 m. Nedávné nehody v tunelech zdůrazňují prioritu požadavku na bezpečnost provozu v těchto stavbách nejen z hospodářského, ale i lidského hlediska. Bezpečnost tunelu při jejich provozování vyžaduje řadu opatření, která se vztahují k trasování a prostorovému uspořádání tunelu, jeho konstrukci, bezpečnostnímu vybavení včetně dopravního a bezpečnostního značení, řízení dopravy, činnostem při mimořádných událostech, výcviku a školení pracovníků provozovatele tunelu a záchrany složek a poskytování informací pro uživatele o nejvhodnějším chování v tunelu nejen při běžné provozní, ale i mimořádné situaci (havárie, požár, únik nebezpečné látky aj.). Mezinárodní předpisy, kterými se musí řídit i Česká republika, stanovují minimální požadavky na bezpečnostní vybavení tunelu. Jednotlivé členské státy mohou stanovit požadavky přísnější, pokud nejsou v rozporu s požadavky evropských předpisů. Základní prioritou bezpečnostního řešení tunelů je ochrana života a zdraví lidí účastníků silničního provozu, pracovníků provozovatele tunelu, jednotek IZS, popř. dalších v tunelu se vyskytujících osob. Pro zajištění samovolné evakuace osob popř. pro jejich záchranu záchrannými složkami musí být v tunelech navrženy únikové cesty a nouzové východy. Únikové cesty v tunelových troubách představují nouzové chodníky vedené po stranách tunelových trub a nouzové východy umožňující uživatelům tunelu v případě mimořádné události tunel opustit a záchranným jednotkám umožnit vstup do zasažené trouby. Bezpečnost unikajících osob lze snáze zajistit v tunelech o dvou troubách, z nichž každá slouží při běžném provozu pro jednosměrný provoz. V případě mimořádné události např. při požáru v jedné tunelové troubě, jsou unikající osoby směrovány k nouzovým východům; buď k portálům anebo do příčných propojek mezi tunelovými troubami popř. do dalších záchranných cest (únikových chodeb, šachet). Únik osob z požárem zasažené trouby může po průchodu propojkou pokračovat druhou nezasaženou troubou. Hlavní podmínkou je, aby se požár a jeho zplodiny nerozšířily z požárem zasažené špinavé tunelové trouby do tunelové trouby požárem nezasažené čisté. 1
Tunel Komořany Obrázek č. 0 Tunel Komořany pohled na portály s provozně technickým objektem Na silničním okruhu kolem Prahy, stavbě tunelu Komořany, byl navržen systém nuceného provozního větrání. Přívod čerstvého vzduchu jedné tunelové trouby a odvod znečištěného vzduchu z obou tunelových trub (každá trouba slouží pro jeden směr provozu) je zajišťován nasávacími a výfukovými ventilátory umístěnými v nadzemním vzduchotechnickém objektu Nouzov. Ze vzduchotechnického objektu vede do úrovně tunelových trub vzduchotechnická šachta, rozdělená na část pro přívod a odvod vzduchu. Na ni navazují vodorovné vzduchotechnické trasy, opět rozdělené pro přívod a odvod vzduchu, ústící do tunelových trub uzavíratelnými vzduchotechnickými žaluziemi. Rozměry vzduchotechnických žaluzií navržené projektantem vzduchotechniky, které by zajistily požadované množství přiváděného a odváděného vzduchu, byly značné. Při běžném provozu v tunelu jsou žaluzie vedoucí do tunelových trub otevřené. 2
Obrázek č. 1 Vizualizace uspořádání tunelových trub, tunelové propojky a vzduchových cest Při klasickém řešení mimořádné situace požár v tunelu musí být všechny otvory vedoucí do tunelových trub požárně uzavřeny a tunelové trouby tvoří samostatné požární úseky. Pro jmenovanou stavbu se nepodařilo v České republice ani v zahraničí najít certifikované požární žaluzie požadovaných rozměrů s klasifikací EI 90 SC DP1, které by při požáru oddělily tunelové trouby od vzduchových cest. Pro stavbu tunelu Komořany bylo proto rozhodnuto pomocí modelování ověřit, zda při požáru automobilu v jedné tunelové troubě se odváděné zplodiny hoření na své cestě ochladí natolik, aby nedosáhly teploty 200 C v místě žaluzie umístěné v protější nezasažené tunelové troubě. Pro teplotu 200 C jsou již výrobci nabízeny certifikované kouřotěsné klapky S m DP1 požadovaných rozměrů. Obrázek č. 2 Řez tunelovými troubami, tunelovou propojkou a vzduchovými cestami při běžné provozu 3
Pro modelovou situaci byl zvolen nejnepříznivější případ požáru automobilu v těsné blízkosti kouřotěsné klapky jedné tunelové trouby. Předpokládá se úplná destrukce kouřotěsné klapky v troubě zasažené požárem vysokou teplotou, popř. její zničení nárazem vozidla. V navrženém atypickém řešení byly zplodiny hoření odcházející otevřenou (zničenou) žaluzií ze zasažené tunelové trouby usměrněny pomocí požární příčky s odolností EW 180 DP1 do vzduchotechnické šachty. Z objektu Nouzov budou zplodiny dále samovolně odváděny vymezenou cestou mimo objekt. Navržená požárně odolná příčka usměrňuje tok zplodin hoření a brání i přenosu tepla sáláním k protější kouřotěsné klapce. Vzduchotechnický objekt Nouzov se stává vždy součástí požárního úseku té tunelové trouby, ve které došlo k požáru. Druhá nezasažená tunelová trouba tvoří samostatný požární úsek. Otvory pro provozní větrání v nezasažené tunelové troubě budou na základě signálu EPS uzavřeny prostřednictvím řídicího systému tunelu kouřotěsnými klapkami S m DP1. Samostatné požární úseky také tvoří všechny propojky jako záchranné cesty a rovněž všechny technologické prostory. Obrázek č. 3 Řez tunelovými troubami, tunelovou propojkou a vzduchovými cestami při požáru v jedné tunelové troubě Modelování teplotního pole ve vzduchotechnických cestách provozního větrání z objektu Nouzov Pro analýzu šíření kouře byl použit program FDS (Fire Dynamics Simulator) verze 5.1.6. Tento požární model typu pole je založený na výpočtové metodě CFD (Computational Fluid Dynamics), která umožňuje modelovat dynamiku proudění horkých plynů a zplodin hoření. Model numericky řeší Navier-Stokesovy rovnice pro nestacionární proudění s důrazem na přenos tepla a kouře od vzniklého požáru. Parciální diferenciální rovnice pro zachování hmoty, hybnosti a energie jsou uspořádány jako rovnice konečných rozdílů, jejichž výsledky se během výpočtu zachycují do pravoúhlé třírozměrné sítě. Určení tepelné radiace vychází z metody konečných objemů. Pro řešení turbulentního proudění horkých plynů a zplodin programem FDS se uživateli nabízejí dva základní numerické postupy modelování turbulence, a to metoda přímé numerické simulace (DNS Direct Numerical Simulation) a metoda velkých vírů (LES Large Eddy Simulation). Pro analýzu proudění kouře a zplodin v tunelovém prostoru byla vybrána metoda velkých vírů LES. U výpočtu metodou LES, kde síť není dostatečně jemná, je třeba na vyřešení rozptylu paliva a kyslíku využít modelu hoření frakcí směsi. Tento mechanismus je nejvhodnější pro velkorozměrné a dobře provětrávané požáry. 4
Program FDS využívá modelu hoření frakcí směsi. Frakce směsi je definována jako podíl složek plynů z příslušného paliva. Nezbytnou součástí programů dynamické analýzy plynů CFD je možnost prostorové vizualizace. Pro tento účel byl navržen softwarový nástroj Smokeview, který je schopen vizualizovat výsledky vytvořené programem FDS. Tento program umí, jako jemu obdobné programy (např. MayaVi), znázornit například pohyb kouře, vektory teplot proudění plynů ve 2D a 3D konturách. Dalším přínosem tohoto programu je realistické vyobrazení vývoje kouře. Princip zobrazení reálného kouře je provedeno vykreslením řady zčásti průhledných ploch, kde průhlednost každé plochy (v každém uzlu sítě) je určena hustotou sazí určených programem FDS. Popis požárního scénáře Pro scénář požáru byl použit konzervativní přístup, spočívající ve volbě nejnepříznivější varianty požáru o výkonu 50 MW s úplnou destrukcí kouřotěsné klapky v zasažené tunelové troubě. Výkon požáru 50 MW byl pro simulaci zvolen z důvodu vysoké intenzity nákladní dopravy. Požár vozidla o výkonu 50 MW byl simulován v tunelové troubě, kdy čelo simulovaného vozidla je na úrovni posuzované kouřotěsné klapky S m DP1 a vozidlo je v blízkosti propojky. Výpočty bylo předběžně ověřeno, že v této variantě je v místě kouřotěsných klapek dosaženo nejvyšší teploty. Pro simulaci bylo použito dvou rychlostí proudění v tunelové troubě rychlosti 1 m/s představující variantu větrání při požáru při obousměrném provozu v zasažené tunelové troubě a 3 m/s, představující variantu větrání při požáru při jednosměrném provozu v zasažené tunelové troubě. Uvedené rychlosti byly zvoleny na základě konzultace s projektantem větrání v dálničních tunelech. Průběhy teplot zplodin hoření získané programem FDS Analýza časově závislého průběhu teplot zplodin hoření v místě kouřotěsných klapek VZT systému provozního větrání v obou tunelových troubách (ve výšce 2 m, 3 m a 4 m) byla použita k ověření funkční schopnosti kouřotěsné klapky v požárem nezasažené troubě, tj. zajištění ochrany nezasažené trouby před zakouřením. Průběh teplot v horní části vzduchotechnické šachty (u vstupu do objektu Nouzov) byl použit k průkazu, že teplota zplodin hoření odcházejících VZT šachtou přes objekt Nouzov nezvýší požadavky na požární odolnost konstrukcí objektu Nouzov, který je navržen ve III. stupni požární bezpečnosti. Průběhy teplot zplodin hoření v místě kouřotěsných klapek v zasažené a nezasažené troubě a v horní části VZT šachty jsou uvedeny v grafu na obrázku č. 4. 5
Obrázek č. 4 Graf průběhu teplot při požáru o výkonu 50 MW během 5 minut trvání požáru Při analýzách bylo využito i grafického znázornění časově závislého rozložení teplot v posuzovaných částech pomocí programu Smokeview. Příklad typické rozložení teplot je uveden na obrázcích č. 5 a 6. Obrázek č. 5 Vizualizace průběhu teplot ve vzduchových cestách ve 30. sekundě při požáru o výkonu 50 MW 6
Obrázek č. 6 Vizualizace průběhu teplot ve vzduchových cestách ve 300. sekundě při požáru o výkonu 50 MW Závěr Výsledek počítačové simulace ukazuje, že v případě nejnepříznivější varianty, tj. požáru v tunelu v blízkosti kouřotěsné klapky S m DP1, dojde velmi rychle k překročení mezního stavu S m (kouřotěsnost pro teplotu 200 C) zasažené klapky a tím není možné vyloučit její destrukci. Teplota v místě kouřotěsné klapky v nezasažené tunelové troubě počítaná ve výškách 2 m, 3 m a 4 m při rychlosti 1 m/s v zasažené tunelové troubě během prvních 150 s pozvolna roste až k hodnotě 150 C, kdy se prakticky ustálí na této hodnotě a v dalším čase již neroste. Při rychlosti 1 m/s v zasažené tunelové troubě teplota zplodin hoření ve vzduchotechnické šachtě v místě vyústění do nadzemní části objektu Nouzov prudce stoupne během prvních cca 45 sec na hodnotu přibližně 300 C a v dalším období již jen kolísá kolem této teploty. Teplota v místě kouřotěsné klapky v nezasažené tunelové troubě počítaná ve výškách 2 m, 3 m a 4 m při rychlosti 3 m/s v zasažené tunelové troubě během prvních 60 s vzroste až k hodnotě cca 130 C, v čase 130 s dosáhne cca 140 C a potom se prakticky ustálí na této hodnotě a v dalším čase již neroste. Při rychlosti 3 m/s v zasažené tunelové troubě teplota zplodin hoření ve vzduchotechnické šachtě v místě vyústění do nadzemní části objektu Nouzov stoupne během prvních cca 60 sec na hodnotu přibližně 130 C a v dalším období již jen kolísá kolem této teploty. Využitím modelu FDS byl ověřen původní předpoklad, že navržené dělení tunelu na požární úseky, délka větracího prostoru mezi tunelovými troubami a umístění požární příčky ve 7
vzduchotechnické šachtě ovlivní teplotu zplodin hoření tak, že v případě požáru o výkonu 50 MW v jedné tunelové troubě zůstanou kouřotěsné klapky v nezasažené tunelové troubě funkční. Protože vzduchotechnický systém provozního větrání je proveden výhradně z konstrukcí DP1, nemůže se tímto systémem přímo přenést požár. Přenosu požáru sáláním je zabráněno vybudovanou příčkou EW 180 DP1, jejíž požární odolnost vyplývá z požadavků na konstrukce použité v tunelech. Na základě výše uvedeného je možné konstatovat, že kouřotěsné klapky S m DP1 s doloženou kouřotěsností vyhoví v tomto konkrétním stavebním řešení pro zabránění šíření kouře a přenesení požáru z požárem zasažené tunelové trouby přes vzduchotechnický systém provozního větrání do nezasažené tunelové trouby. Prezentované řešení platí pouze za daných podmínek stavebního řešení tunelu Komořany a navazujícího vzduchotechnického objektu Nouzov a proto je nelze přímo aplikovat na jiné tunelové stavby. Nezbytnou podmínkou pro výše uvedené řešení požární bezpečnosti byla úzká spolupráce mezi zpracovatelem požárně bezpečnostního řešení Fakultou bezpečnostního inženýrství VŠB-TU Ostrava a generálním projektantem stavby Pragoprojektem a.s. Praha. ANOTACE: Příspěvek prezentuje možnost použití inženýrského přístupu pro řešení atypických situací, které jsou tradičním noremním přístupem jen obtížně řešitelné nebo neřešitelné. Na konkrétním příkladu řešení systému provozního větrání tunelu Komořany je ukázán postup prokázání odpovídající míry bezpečnosti pro zvolené atypické řešení rozdělení do požárních úseků a výběr prvků pro jejich oddělení. Klíčová slova: tunel, požární bezpečnost, inženýrský přístup, vzduchotechnika, kouřotěsná klapka ABSTRAKT: The contribution presents a possibility of using an engineering approach to the solving of atypical situations that can be solved traditionally, i.e. using a standard approach, only with difficulty or cannot be solved at all. A specific example of solution for the operating ventilation system of Komořany tunnel shows the procedure of demonstration of adequate degree of safety for the chosen atypical solution concerning the division into fire compartments and the selection of elements of fire compartment separation. Key words: tunnel, fire safety, engineering approach, ventilation system, smoke damper 8
O autorech: Ing. Isabela Bradáčová, CSc. vedoucí Katedry požární ochrany a ochrany obyvatelstva Fakulta bezpečnostního inženýrství, VŠB-TU Ostrava AI v oboru požární bezpečnost staveb AO 1000004 působení v oblasti požární bezpečnost staveb doc. Ing. Dr. Aleš Dudáček děkan Fakulty bezpečnostního inženýrství, VŠB-TU Ostrava působení v oblasti požárně bezpečnostních zařízení Ing. Petr Kučera Katedra požární ochrany a ochrany obyvatelstva Fakulta bezpečnostního inženýrství, VŠB-TU Ostrava působení v oblasti požární bezpečnost staveb 9
Ing. Jiří Svoboda vedoucí střediska podzemních staveb PRAGOPROJEKT, a.s. ateliér Praha působení v oblasti podzemních staveb 10