Prognóza teplot s využitím požárních modelů a srovnání s reálným experimentem provedeným v tunelu Valík Ing. Petr Kučera, Tomáš Pavlík, Dušan Štěpáník VŠB Technická univerzita Ostrava Lumírova 13, 700 30 Ostrava-Výškovice E-mail: petr.kucera@vsb.cz, tomaspavlik82@seznam.cz, dinoburger@seznam.cz Homepage: http://fbi.vsb.cz/modelovani Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje Výškovická 40, 700 30 Ostrava-Zábřeh E-mail: jirka.pokorny@email.cz Homepage: www.jiripokorny.net Klíčová slova požární zkouška, silniční tunel, měření teplot, modely požáru Abstrakt Vznik a rozvoj požáru v silničním tunelovém systému, který je charakteristický uzavřeným tubusovým prostorem a specifickými podmínkami větrání, je doprovázen intenzivní tvorbou kouře a vznikem vysokých teplot. Vysoké teploty mohou být příčinou nejen poškození konstrukce tunelu, ale také znepřístupnění tunelu jednotkám požární ochrany. Cílem tohoto příspěvku je prezentace provedených počítačových simulací pravděpodobného vývoje teplot prostřednictvím deterministických modelů požáru a jejich srovnání s hodnotami získanými měřením při vlastním experimentu. Část příspěvku je věnována úvahám týkajících se významu proudění plynů v prostorách tunelu z hlediska řešené problematiky. Úvod S rozvojem infrastruktury silniční dopravy v České republice vznikla potřeba výstavby silničních tunelů, které jsou vhodné při stavbě rychlostních silnic v hornaté oblasti či v městských aglomeracích s hustou zástavbou. Na základě zkušeností s nehodami a požáry v silničních tunelech [1, 2] vznikl pod záštitou mezinárodní společností ITA-AITES (International Tunnelling Association) [3] nový obor Spolehlivost a řízení rizik tunelů na pozemních komunikacích. Jeho snahou je mimo jiné zajištění požární bezpečnosti, která je jedním z rizikových faktorů v silničních tunelech. Prováděním požárních zkoušek v silničních tunelech v ČR jsme se zařadili mezi státy, které se aktivně zabývají možnostmi vzniku této mimořádné události. Zjištěné výsledky mohou poukázat na nedostatky v technickém vybavení i způsobu zajištění bezpečnosti tunelu jako celku. 1
Popis zkoušky Ve dnech 25. - 26. 5. 2006 byly na území ČR zrealizovány velkorozměrové zkoušky požáru v tunelu Valík na dálnici D5 (obchvat města Plzeň). Zkoušky byly organizovány Ministerstvem vnitra - generálním ředitelstvím Hasičského záchranného sboru ČR. Na realizaci experimentu se dále podíleli zejména Technický ústav požární ochrany, Hasičské záchranné sbory Plzeňského a Moravskoslezského kraje, Fakulta bezpečnostního inženýrství VŠB - Technické univerzity Ostrava, Pragoprojekt a.s., Ředitelství silnic a dálnic a dodavatel stavby Metrostav a.s. Experiment, při kterém byly provedeny dvě reálné zkoušky požárů, byl navržen tak, aby simuloval požár o tepelném výkonu 5 MW. Při experimentu byla hodnocena řada dílčích parametrů požáru (např. teplota kouřových plynů, povrchová teplota stavebních konstrukcí, rychlost proudění vzduchu a kouře, optická hustota kouře a pokles vrstvy kouřových plynů) [4, 5]. Hlavním cílem experimentu bylo zejména ověřit funkčnost instalovaných požárně bezpečnostních zařízení (především nucené ventilace) a získat dostatek informací a zkušeností k vypracování metodiky pro provádění obdobných zkoušek v tělesech tunelů, kterými bude prokázána funkčnost bezpečnostních systémů a následně také přijatelná úroveň bezpečnosti osob. Prognóza teplot s využitím požárních modelů Před realizací požárních zkoušek byla na pracovišti VŠB-TU Ostrava vytvořena pracovní skupina, jejímž cílem bylo provést prognózu maximální teploty, které může být v prostoru tunelu v průběhu experimentu dosaženo. Experiment bylo nutné navrhnout a zrealizovat tak, aby nedošlo k poškození stavební části tunelu (betonových ostění), která již byla dokončena. Teploty byly prognózovány s využitím požárních modelů. Pro simulaci požáru v tunelu Valík byly zvoleny dva základní typy požárních modelů: zónové modely (ARGOS 4.11 [6], CFAST 6.0.6 [7]) modely typu pole (FDS 4.0.7 [8, 9], PYROSIM 2006.1 1 [10]) Z časových důvodů a obtížného programového zpracování bylo nereálné provádět simulaci se skutečnými rozměry tunelu. Geometrie tunelu byla zjednodušena na kvádr (obr. 1) ve dvou variantách řešení: zmenšený model tunelu (kvádr o rozměrech 25 11,5 8 m) model s přibližně reálnými rozměry tunelu (kvádr o rozměrech 300 11,5 8 m) 1 Software PYROSIM využívá pro výpočet rovněž model FDS starší verze. Tato softwarová nástavba usnadňuje zadávání a vyhodnocování výsledků. 2
Obr.1 - Zjednodušení geometrie tunelu na kvádr Zdroj požáru u zmenšeného modelu byl umístěn na osu délky ve vzdálenosti 5 m od počátku modelu, u modelu s přibližně reálnými rozměry na osu délky ve vzdálenosti 150 m od počátku. Simulovaný tepelný výkon činil 5 MW po dobu 15 minut. Modelování bylo prováděno pro rychlosti proudění vzduchu 0, 2 a 4 m.s -1. 3
Obr.2 Grafické zpracování výsledků zónového modelu (CFAST) a modelu typu pole (FDS) Výsledky předpokládaných teplot Tabulky č. 1 a 2 uvádějí přehled nejvyšších teplot stanovených simulací jednotlivými programy pro obě varianty geometrií. Tab. 1 - Nejvyšší teploty stanovené simulací požáru pro zmenšený model tunelu Program PYROSIM FDS Rychlost proudění vzduchu [m.s -1 ] Nejvyšší teploty v prostoru [ C] 2 170 4 95 2 190 (10 m) 4 115 (15 m) CFAST 0 105 / 210 ARGOS 2 150 4 65 Poznámka maximální teplota termočlánku maximální teplota termočlánku v dané vzdálenosti od zdroje maximální teplota termočlánku / průměrná teplota horké vrstvy plynů průměrná teplota horké vrstvy plynů 4
Tab. 2 - Nejvyšší teploty stanovené simulací požáru pro model s přibližně reálnými rozměry tunelu Rychlost proudění Nejvyšší teploty Program vzduchu [m.s -1 Poznámka ] v prostoru [ C] PYROSIM 2 120 4 90 maximální teplota termočlánku 2 121 10 m za středem zdroje ve FDS výšce 8 m 4 65 Poznámka: Modely ARGOS a CFAST nejsou pro vymezené geometrické rozměry použitelné. Teploty naměřené během experimentu VŠB-TU Ostrava se zabývala měřením teplot v blízkosti ostění tunelu. Část tunelu byla rozdělena do pěti profilů vzájemně od sebe vzdálených 5 metrů (označení profilů -5 m, 0 m, +5 m, +10 m, +15 m, kde 0 m = místo požáru). V prvních třech profilech (-5 m, 0 m, +5 m) se měřila teplota ve dvou bodech, v dalších dvou profilech (+10 m a +15 m) v bodech třech. Ukázka rozmístění termočlánků podél tunelového profilu +15 m je znázorněna na obr. 3. Naměřené teploty v blízkosti ostění během první zkoušky v jednotlivých termočláncích jsou zobrazeny na obr. 4. Obr.3 - Schéma rozmístění termočlánků instalovaných na ostění v profilu +15 m 5
TEPLOTY [ C]. 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 9:15:00 9:20:00 9:25:00 9:30:00 9:35:00 9:40:00 ČAS -5m/6,5m -5m/4,0m 0m/6,5m 0m/4,0m +5m/6,5m +5m/4,0m +10m/8,0m +10m/6,5m +10m/4,0m +15m/8,0m +15m/6,5m +15m/4,0m Obr.4 - Vývoj teplot v blízkosti ostění během první zkoušky Legenda: vzdálenost profilu od místa požáru [m] / výška umístění termočlánku v daném profilu od nulové úrovně terénu [m] Proudění plynů jako jeden z významných činitelů ovlivňujících teploty dosažené v prostorách tunelu Rychlost proudění plynů v tunelu může do značné míry ovlivnit nejvyšší dosažené teploty. Chování plynů při realizaci experimentu, zejména rychlost proudění, lze obecně považovat za citlivou problematiku, která je ovlivněna celou řadou aspektů (např. situování stavby v terénu, geometrické a konstrukční provedení tunelu, účinnost větracích systémů, okolní podmínky, umístění události v tunelu). Výslednou tlakovou diferenci ovlivňující pohyb plynů ve stavbách lze vyjádřit rovnicí n p v, T = pi [Pa] (1) kde p v,t p i i= 1 teoretická výsledná tlaková diference [Pa] i-tá tlaková diference [Pa] Tlakovou diferenci při realizovaném experimentu v tunelu Valík lze vyjádřit rovnicí [Pa] (2) p v, T = p1 + p2 p3 + p4 ± p5 kde p v,t teoretická výsledná tlaková diference [Pa] 6
p 1 p 2 p 3 p 4 p 5 tlaková diference způsobená tlakem větru [Pa] tlaková diference způsobená komínovým efektem [Pa] tlaková ztráta vlivem stojících vozidel [Pa] tlaková diference způsobená ventilátorem [Pa] tlaková diference způsobená vztlakovým efektem [Pa] Rychlosti proudění plynů byly při zkouškách měřeny na více stanovištích. Měřené hodnoty se v závislosti na čase významně lišily a to jak mezi jednotlivými stanovišti, tak na konkrétních stanovištích. Jako charakteristickou hodnotu rychlosti proudění plynů lze považovat rychlost 2,5 m.s -1. Po realizaci experimentu byla provedena zjednodušená teoretická početní analýza. Její pomocí byla stanovena průměrná rychlost proudění plynů za tepelným zdrojem 4 m.s -1 a vyšší. Příčinou odchylek (naměřené hodnoty kontra hodnoty stanovené výpočtem) je především vlastní způsob měření rychlosti proudění plynů při experimentu. V popisovaném případě jde zejména o výškové umístění měřících prvků. Některé z anemometrů byly umístěny ve výšce 2 m nad podlahou, přičemž lze reálně předpokládat, že rychlost proudění plynů se s výškovou polohou v tunelové troubě podstatně mění. Vyjádření závislosti rychlosti proudění plynů na výškové poloze měřícího přístroje vyžaduje podrobnější analýzu řešené problematiky s využitím modelů zabývajících se mechanismy proudění plynů. Diference mezi naměřenými hodnotami a hodnotami stanovenými výpočtem byly způsobeny rovněž kvalitou vstupních údajů (práce s průměrnými hodnotami) a zobecněním výpočtu (posuzování průměrných hodnot v celém profilu tunelu). Rekapitulací předcházejících úvah a výsledků lze dospět k názoru, že rychlost proudění plynů byla při reálném experimentu vyšší než se předpokládalo při modelování. Srovnání teplot prognózovaných požárními modely a teplot naměřených při reálném experimentu Na základě stanovených vstupních dat, kterými byly zejména stavební a konstrukční provedení tunelu Valík, charakteristiky připravovaného experimentu a předpokládané okolní podmínky byla modelováním stanovena střední nejvyšší teplota plynů v posuzovaném prostoru 190 C. Uvedená teplota nezahrnuje krátkodobé skokové odchylky, které se v dílčích částech simulací vyskytovaly a dosahovaly hodnot nad 200 C. Při realizovaném experimentu byly při 1. zkoušce naměřeny nejvyšší teploty plynů 195,4 C a při 2. zkoušce 272,3 C. Uvedených maximálních hodnot bylo dosaženo pouze na ojedinělých termočláncích a to po relativně krátkou dobu. Hodnoty naměřen ostatními termočlánky byly zpravidla významně nižší. Srovnáním výsledků obou zkoušek lze dospět k závěru, že naměřené teploty byly významně ovlivněny nucenou ventilací. Při uvedení instalovaného proudového ventilátoru do činnosti až v průběhu experimentu při 2. zkoušce 7
byly naměřeny vyšší hodnoty teplot než při 1. zkoušce, kdy byl ventilátor v činnosti před iniciací tepelného zdroje. Lze předpokládat, že činností ventilátoru dochází k intenzivnějšímu proudění plynů v tunelu a jejich ředění chladnějším vzduchem. V současné době dochází k podrobnému vyhodnocování odchylek mezi modelováním a experimentálním měřením. Probíhá analýza příčin hodnotových diferencí a je prováděno opakované modelování s upřesněnými vstupními údaji (skutečné rozměry, tvar a průřez tunelové trouby, zpřesnění rychlosti proudění vzduchu apod.). Výsledky budou podkladem pro další požární zkoušky, které se již v současné době připravují. Závěr Předchozí odstavce popisují využití požárních modelů k prognóze teplotního pole při následně realizovaných požárních zkouškách. Prognóza teplot byla provedena s využitím zónových modelů a modelů typu pole a to ve zmenšeném měřítku a v modelu s přibližně reálnými rozměry tunelu. Modelování bylo provedeno za podmínek blížících se předpokládaným podmínkám připravovaného experimentu. Výsledky modelování vedly k přesvědčení, že teploty dosažené při požárních zkouškách nezpůsobí poškození tunelového ostění. Na základě tohoto předpokladu došlo k výraznému omezení rozsahu požární izolace oproti původním úvahám zapracovaným v projektové dokumentaci stavby. Měření při zkouškách předpoklad získaný modelováním potvrdila. Shodu mezi predikovanými a naměřenými hodnotami lze posuzovat jako přijatelnou. Modelování požáru je nesporně perspektivní oblastí, která nalezne své uplatnění v řadě praktických aplikací. Kombinace reálných zkoušek a modelování se jeví jako optimální postup, které vede k úspoře finančních prostředků. Postupné zdokonalování modelů může později vést v některých případech až k upřednostnění modelování před reálnými zkouškami. Příspěvek byl napsán v rámci doktorského grantového projektu GA 103/05/H036 Analýza spolehlivosti konstrukcí vystavených účinkům mimořádného zatížení. 8
Obr.5 - Ilustrativní obrázky modelování požáru v silničním tunelu 9
Literatura [1] Autoroutes et Tunnel du Mont Blanc [online]. Poslední revize 27. 7. 2006 [cit. 2006-08-14] < http://www.atmb.net > [2] BEARD, A., CARVEL, R.: The Handbook of Tunel Fire Safety. Thomas Telford Ltd., London, 2005, ISBN 0-7277-3168-8 [3] International Tunnelling Association [online]. Poslední revize 11. 8. 2006 [cit. 2006-08-14] < http://www.ita-aites.org/ > [4] DUDAČEK, A. a kol.: Simulace požáru v tunelu VALÍK požárními modely. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, FBI, 2006. [5] DVOŘÁK, O. a kol.: Zpráva o výsledcích měření při požárních zkouškách v tunelu Valík. Praha, MV-ČR generální ředitelství HZS ČR, 2006. [6] DEIBJERG, T. et al.: Argos User s Guide A Step by Step Guide to Fire Simulation. Danish Institute of Fire and Security Technology, 2003, ISBN 87-88961-49-4. [7] PEACOCK, R.D., JONES, W. W. et al.: CFAST Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6) - User s Guide. NIST Special Publication 1041, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, December, 2005. [8] McGRATTAN, K., FORNEY, G.P.: Fire Dynamics Simulator (Version 4) - User s Guide. NIST Special Publication 1019, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, March, 2006. [9] FORNEY, G.P., McGRATTAN, K.: User s Guide for Smokeview Version 4 A Tool for Visualizing Fire Dynamics Simulator Data. NIST Special Publication 1017, National Institute of Standards and Technology, Maryland, March, 2006. [10] PyroSim: A model Construction Tool for Fire Dynamics Simulator (User Manual). Thunderhead Engineering, Manhattan, USA, 2006. 10