Выполнено моделирование пожара в деревянном здании с атриумом. При моделировании рассматривали различные варианты размещения проемов для естественной вентиляции при пожаре. Авторы статьи Ruxandra Dârmona, Mircea Suciu.
Аннотация
Древесина – это экологически чистый и возобновляемый материал. Cуществует определенные опасения при использовании древесины для общественных зданий: школ, больниц или театров. Эти опасения связаны с низкой огнестойкостью древесины. Тем не менее, существуют компенсирующие мероприятий в области пожарной безопасности, которые могут быть использованы для улучшения огнестойкости здания и других пожарных характеристик. Помимо этого, есть другая, достаточно серьезная проблема обеспечения пожарной безопасности – опасность задымления путей эвакуации при пожаре. При разработке подходящей системы обеспечения пожарной безопасности, древесина может использоваться при строительстве различных общественных зданий. При этом древесина как материал обладает существенными преимуществами: низкая стоимость и низкие эксплуатационные расходы, хорошая теплоизоляция и эстетические свойства и т.д. Использование компьютерного моделирования для оптимизации расходов на устройство системы дымоудаления в здании может сэкономить ценные ресурсы и время в процессе проектирования. В статье описывается результаты компьютерного моделирования, выполненного с помощью FDS 6 версии, для проверки системы противодымной защиты в деревянном здании, в котором размещается образовательное учреждение.
1. Введение
Применение CFD-моделирования в качестве аналитического инструмента инженера пожарной безопасности становится все более актуально и значимо. По мере того, как растет наше понимание физических явлений, таких как процессы горения, теплопередачи и гидрогазодинамики, растут и возможности повышения точности моделирования пожаров с использованием полевых моделей.
Применение более развитых компьютерных алгоритмов, повышение быстродействия процессора и памяти значительно повысило точность CFD-моделирования пожаров. Это позволяет более точно моделировать пожары на объектах со сложной геометрией, дает возможность учесть и спрогнозировать особенности динамики пожара, а также применять современные методы визуализации такие как система дополненной виртуальной реальности.
Мы наблюдаем явную нехватку документации по CFD-моделированию, методик подтверждения пожарной безопасности, технической документации и руководств пользователя, которые могли бы способствовать более широкому применению компьютерного моделирования на практике. Одна из первых попыток в этом направлении была предпринята недавно в Швеции. Расширенное руководство по использованию CFD-моделирования при проектировании системы обеспечения пожарной безопасности содержит рекомендации по настройке различных параметров и различные методы для обоснования пожарной безопасности.
Известно, что деревянные конструкции обладают низкой огнестойкостью. Тем не менее, огнестойкость деревянных конструкций может быть увеличена при использовании средств огнезащиты, таких как огнезащитная краска, огнезащитная пропитка, конструктивная огнезащита (например, штукатурка) и т.д. Для подтверждения возможности безопасной эксплуатации здания, необходимо детально проработать систему обеспечения пожарной безопасности здания в целом. При разработке системы обеспечения пожарной безопасности здания, система противодымной защиты, будь то естественная или механическая противодымная вентиляция, является ключевым фактором для выполнения условия безопасной эвакуации посетителей при пожаре.
Перечень сокращений
ASET – Available Safe Egress Time – Необходимое время эвакуации
CFD – Computational Fluid Dynamics – Вычислительная гидродинамическая модель
FDS – Fire Dynamic Simulator – Симулятор динамики пожаров
RSET – Required Safe Egress Time – Расчетное время эвакуации
1.1. Область применения
Использование компьютерного моделирования для оптимизации затрат на системы противодымной защиты в зданиях может сэкономить ресурсы и время в процессе проектирования. Целью проведения CFD-анализа является оценка и подтверждение эффективности работы естественной противодымной вентиляции в трехэтажном деревянном здании.
1.2. Цели
Одной из основных целей данного исследования является проверка условия безопасной эвакуации посетителей в течение необходимого периода времени. Компьютерное моделирование было использовано оценки динамики распространения дыма в атриуме и распространением дыма по эвакуационным проходам вдоль балконов. Целью CFD-анализа было определение оптимального соотношения размеров и расположения люков дымоудаления на кровле, чтобы обеспечить беспрепятственный выход дыма через атриумное пространство всех трех этажей в течение всего периода, необходимого для полной эвакуации людей из здания.
1.3. Характеристика здания
В исследовании рассматривается здание, в котором размещено образовательное учреждение. Здание имеет деревянный несущий каркас, общей высотой около 19 м, состоит из цокольного и трех надземных этажей. Перекрытия между надземными этажами имеют большие проемы в центрально части здания, образующие атриумное пространство. Цокольный этаж принимается отдельным пожарным отсеком и не является объектом CFD-анализа.
Кровля над атриумом спроектирована со значительной площадью остекления, обеспечивая естественное освещение атриума. Каждый из надземных этажей имеет большое окно, выходящее на западный фасад.
2. Критерии оценки системы противодымной защиты
Такие нормативы как NFPA 101 (NFPA 101, Life Safety Code, National Fire Protection Association, 2015) и справочник инженера пожарной безопасности SFPE (SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 5th Edition, Springer, 2015) содержат аналогичные критерии, которым должны соответствовать пути эвакуации. Конструктивное исполнение соответствует нормам, если не превышаются допустимые значения по расчетному уровню дымового слоя при пожаре, температуре дыма и дальности видимости на путях эвакуации. Дополнительные требования отражены в британском руководстве CIBSE E (CIBSE Guide E – Fire Safety Engineering, third ed., The Chartered Institute of Building Services Engineers, 2010), там также определены аналогичные критерии безопасности.
2.1. Высота дымового слоя
Слой дыма не должен опускаться ниже роста людей. Расчетный уровень дымового слоя при пожаре считается допустимым, если он находится в диапазоне 2,0 – 2,5 м над уровнем пола.
2.2. Температура дыма
Основываясь на максимальном значении теплового потока, который безопасен для человека при эвакуации, критическое значение температуры дыма принимается 60°C.
2.3. Дальность видимости и токсичность
В соответствии с требованиями британского стандарта (PD 7974-6:2004 / Применение принципов пожарно-технического анализа при проектировании зданий. Часть 6. Человеческие факторы: Стратегии безопасности — эвакуация, поведение и состояние людей (Подсистема 6)), человек, идущий по путям эвакуации, должен иметь возможность видеть на расстоянии в 5-10 м перед собой. Обычно это оценивается в рамках CFD-моделирования путем измерения оптической плотности дыма на путях эвакуации.
Токсичность, измеряемая как концентрация угарного газа CO, должна составлять менее 1400 миллионных долей (мольная доля). Обычно, предельное значение по критерию дальности видимости наступает раньше других опасных факторов пожара, поэтому если значение видимости находится в допустимых пределах, считается, что токсичность также ниже предельного значения.
3. CFD-анализ
3.1. Сценарий пожара
Здание оборудовано спринклерной системой пожаротушения. Предполагается, что пожар, возникший в учебных кабинетах, будет локализован и потушен на начальном этапе при помощи системы пожаротушения. Однако, из-за наличия открытых проемов в перекрытиях (атриумное пространство) есть незащищенная область пола первого этажа под атриумным пространством.
Рисунок 1. План первого этажа. Место возникновения пожара.
3.1.1. Место возникновения пожара
Наиболее неблагоприятный сценарий пожара – возникновение пожара на первом этаже в атриумном пространстве, так как площадь пола первого этажа в зоне атриума не защищена спринклерной системой пожаротушения. Учитывая назначение здания, пожарная нагрузка будет сосредоточена в пределах центральной части здания. На первом этаже в центральной части здания в атриумном пространстве размещается зона отдыха и зона для персонала.
3.1.2. Очаг пожара
Пожар возникает в непосредственной близости от кабинета рисования, предполагается, что некоторые картины, представленные на экспозиции, могли случайно воспламениться. Предполагается, что это наиболее опасный сценарий с точки зрения пожарной безопасности, наиболее подходящий для целей данного исследования.
3.1.3. Выбор сценария пожара
Выбор сценария пожара производился с учетом нескольких факторов, таких как особенности здания, состояния противодымной вентиляции и характеристики горючей нагрузки. Для всех сценариев компьютерного моделирования была определена максимальная мощность пожара – 2,5 МВт. Для моделирования фазы развития пожара был выбрана квадратная функция средней интенсивности в соответствии руководством CIBSE Guide E (CIBSE Guide E – Fire Safety Engineering, third ed., The Chartered Institute of Building Services Engineers, 2010.), для общественных и образовательных учреждений.
3.1.4. Сценарии компьютерного моделирования
При моделировании рассматривалось несколько сценариев пожара мощностью 2,5 МВт. В сценариях рассматривались различные сочетания размеров и расположения вентиляционных проемов в здании, для того чтобы оценить оптимальную комбинацию для обеспечения условия естественного проветривания при пожаре. Описание параметров вентиляционных проемов здания, которые оценивались в сценариях, приведено в таблице 1. В последнем столбце таблицы приводится суммарная площадь вентиляционных отверстий. Предполагается, что в случае пожара указанные проемы будут автоматически открываться после обнаружения пожара системой пожарной сигнализации.
Во всех сценариях моделирование проводилось в течение 1200 секунд (20 минут) для того, чтобы убедиться, что пожар и система естественного проветривания при пожаре вышли на стационарный режим.
Таблица 1. Краткое описание сценариев моделирования FDS.
| Сценарий № | Проемы на восточном фасаде – Dw (м2) | Проемы на скатах кровли – Rw (м2) | Проемы на южной стороне кровли – Sw (м2) | Проем на восточной стороне кровли – Ew (м2) | Общая площадь вентиляционных отверстий (м2) |
| 1 | 6,75 | 12 | – | – | 18,75 |
| 2 | 6,75 | 12 | 47 | – | 65,75 |
| 3 | 6,75 | 12 | 47 | 0,47 х 8,5 | 69,75 |
| 4 | 1,3 х 6,75 | 12 | 47 | 0,47 х 8,5 | 71,75 |
| 5 | 1,3 х 6,75 | 12 | 47 | 8,5 | 76,25 |
| 6 | 1,3 х 6,75 | – | 47 | 8,5 | 64,27 |
3.2. Геометрия модели FDS и граничные условия
Компьютерное моделирование проводилось с использованием программы Fire Dynamics Simulator (FDS6), разработанного NIST (National Institute of Standards and Technology – Национальный институт стандартов и технологий) в сотрудничестве с VTT (Technical Research Centre of Finland – Центр технических исследований Финляндии) для применения в атомной промышленности. Визуализация результатов выполнялась с помощью Smokeview, встроенной программы FDS.
Рисунок. 2. Основные характеристики FDS-модели
(a) Передняя сторона; (b) Задняя сторона.
В данном исследовании использовалась сетка с ячейкой размером 0,25 м х 0,25 м х 0,25 м, чтобы обеспечить максимальную точность моделирования. В результате получилось 1 862 304 ячеек. Расчетная область охватывала все здание, границы расчетной области приняты открытыми для окружающей среды.
Геометрия модели, используемая для компьютерного моделирования и определения оптимального положение всех оконных проемов показана на рис. 2 а, б.
3.2.1. Замеры – Высота дымового слоя
При компьютерном моделирование оценивается динамика параметров дымового слоя, в FDS создаются специальные измерители (датчики), которые записывают значение высоты дымового слоя в течение всего времени моделирования в пространстве атриума или в любой другой заданной точке, которую указали в FDS. Во всех сценариях моделирования измерители (датчики) находились в одном месте здания.
3.2.2. Замеры – Измерительные поверхности
Измерительные поверхности позволяют наглядно продемонстрировать как изменяются различные параметры в течение времени моделирования. Температура и дальность видимости показаны в виде цветных плоскостей, на шкале в правой части рисунков показано значение параметров, но основе значения параметров, можно понять, какие области остаются безопасными, а какие нет. В нижней части изображений указана шкала времени в секундах, показывающая, какой момент моделирования показан на рисунке. Пример измерительных поверхностей по дальности видимости, записанные в FDS, можно увидеть на рис. 3.
Рисунок 3. Пример измерительных поверхностей дальности видимости
(а) горизонтальные; (б) вертикальные.
3.3. Общие допущения и ограничения
Анализ CFD проводится на основе следующих допущений и ограничений:
- Температура окружающей среды во всех сценариях принимается равной 20°C.
- При моделировании не учитывает влияние ветра.
- Динамика лучистого теплового потока не моделируется. Доля лучистого теплового потока постоянна и принимается равной 35%.
- Пожар предполагается, но не прогнозируется при моделировании в FDS (Рассматривается расчетный пожар. Реальный пожар может отличаться).
- Теплопроводность задается на основе свойств материалов, принята для материала бетонной отделки и материала горючей нагрузки.
- Доля сажи предполагается, но не прогнозируется, принимается величина 0,055, исходя из свойств горючей нагрузки.
- Дальность видимости определяется дымом, который в FDS определяется простой химической моделью (“Сгорание смеси” – реакция в одну стадию).
- Расчетная область состоит из равносторонних кубических ячеек размером 25 см. Размер сетки принят для обеспечения точности моделирования турбулентных процессов.
- Для уменьшения количества ячеек сетки, и для обеспечения нужной продолжительности моделирования, расчетная область уменьшена до пространства атриума.
- Предполагается, что все двери в кабинеты закрыты, поэтому не учитывался приток воздуха из окон кабинетов.
- Система пожаротушения не учитывалась при моделировании.
- Во всех сценариях была принята задержка в 30 секунд между началом пожара и автоматическим открытием окон, чтобы учитывать время обнаружения пожара системой пожарной сигнализации. Во всех сценариях моделирование проводилось в течение 1200 секунд, исходя из предположения, что 20 минут будет достаточно для достижения стационарных условий.
4. Результаты
4.1. Высота дымового слоя
Граница дымового слоя замерялась в точке А, расположенной рядом с проемом с восточной стороны, недалеко от лестницы 02. На Рис. 4 представлен сводный график для всех сценариев моделирования. Графики показывают высоту дымового слоя, которая уменьшается по мере развития пожара. На вертикальной оси показана общая высота атриумного пространства.
В модели FDS за отметку 0.0 принят уровень пола первого этажа. Уровень пола второго этажа и третьего этажей находятся на уровне 3,5 м и 7 м соответственно. Условие безопасности оценивается на высоте 2,5 м над уровнем пола каждого этажа, поэтому высота дымового слоя не должна опускаться ниже 9,5 м на третьем этаже и 6 м на втором этаже.
Рис. 4. Изменение расчетного уровня дымового слоя при пожаре
На графике видно, что для всех сценариев в первые 2 минуты (120 секунд) дымовой слой не задерживается над точкой А
В сценарии 1 через 120 секунд после начала пожара уровень дымового слоя начинает опускаться и через 300 секунд остается относительно стабильным на уровне примерно 5 м от уровня пола первого этажа.
Красными линиями со стрелками показано, что для всех сценариев, кроме сценария 1, дымовой слой не опустится в точке А ниже уровня 2,5 м для третьего этажа, в течение не менее 4 минут (~250 секунд).
4.2. Температура дыма
Температура превышает допустимые значения в непосредственной близости от очага пожара, на первом этаже. По мере того, как поднимается конвективная колонка, температура снижается. На втором и третьем этажах в течение всего времени моделирования, не достигаются критические значения во всех сценариях.
В сценарии 5 принимается максимальная площадь проемов для обеспечения естественного проветривания при пожаре. Дымовые потоки охлаждаются более эффективно благодаря большому количеству проемов в модели, а температура имеет значение близкое к температуре окружающей среды в течение всего времени моделирования.
4.3. Дальность видимости
Дальность видимости оценивалась на уровне 2,5 м над уровнем пола каждого из трех этажей. В первых двух сценариях дымовой слой опускается ниже 2,5 м на первом этаже, а в третьем сценарии дальность видимости составляет менее 10 м на втором этаже, поэтому, условие безопасной эвакуации не выполняется.
В сценариях 4, 5 и 6 безопасные условия сохраняются в течение всего времени моделирования.
5. Заключение
Использование CFD-методов и инженерных расчетов для подтверждения соответствия требованиям пожарной безопасности может сэкономить время и ресурсы. Предлагаемый технический подход может быть дополнительно улучшен и оптимизирован, если при помощи компьютерного моделирования сравниваются несколько вариантов на этапе проектирования здания. Требования пожарной безопасности к деревянным зданиям, как правило, более жесткие, чем к зданиям с металлическим или бетонным конструктивом, поэтому необходимо предусматривать дополнительные средства обеспечения пожарной безопасности. Система противодымной вентиляции является обязательным требованием, но затраты на установку системы дымодаления с механическим побуждением будут значительно отличаться от затрат на систему дымоудаления с естественным побуждением.
Результаты CFD-анализа с использованием программы FDS (Fire Dynamics Simulator) показывают, что стабильные условия могут поддерживаться в пространстве атриума на всех этажах деревянного здания, за счет обеспечения достаточной площади отверстий для обеспечения естественного проветривания при пожаре.
Был рассмотрен ряд сценариев, чтобы выявить наиболее важные факторы, которые могут повлиять на обеспечение естественного проветривания при пожаре в атриуме. На основе CFD-анализа можно сделать следующие выводы и рекомендации:
- Минимальная общая площадь вентиляционных проемов на уровне крыши должна находится в диапазоне от 60 м2 до 65 м2, чтобы обеспечить высоту дымового слоя на уровне выше 2 м над путями эвакуации.
- Наличие вентиляционных проемов на боковой стороне крыши, на восточной стороне, с той же стороне, на которой находятся отверстия на фасаде, положительно влияет на движение дыма, обеспечивая более эффективное естественное проветривание при пожаре, по сравнению со случаем, когда боковые окна на крыше находятся на противоположной стороне относительно проемов на фасаде.
- От 8 вентиляционных проемов в скатах кровли можно отказаться, если на боковой поверхности кровли предусмотреть вентиляционный проем.
- Наличие ветра и климатические условия могут повлиять на естественное проветривание при пожаре внутри здания.
Можно сделать вывод, что естественное проветривание при пожаре допустимо для деревянного здания, и условие безопасной эвакуации выполняется в течение всего периода времени, необходимого для безопасной эвакуации всех посетителей из здания.