При помощи Pyrosim выполнено моделирование пожара в высотном жилом здании. Показан характер распространения дыма, изменения дальности видимости, концентрации токсичхных газов и температуры при пожаре. Результаты показывают, что при в течение первых 60 секунд пожара сохраняются условия безопасной эвакуации. Состояние дверей в помещении очага пожара оказывает большое влияние на условия эвакуации. Автор статьи Guangxia Hu.
1. Введение
Из-за обширного внедрения высотного строительства, пожары в высотных зданиях возникают все чаще. При проектировании противопожарной защиты высотных зданий, путей эвакуации и способов тушения пожара очень важно знать принципы распространения дыма внутри помещений, как происходит снижение дальности видимости, повышение температуры и предельных концентраций токсичных и вредных газов и другие особенности развития пожара.
С тех пор как в феврале 2000 года Национальный институт стандартов и технологий (NIST) выпустил программное обеспечение для моделирования динамики пожара (FDS), компьютерное численное моделирование стало основным методом для отечественных и зарубежных ученых в изучении различных процессов пожара. Использование программного обеспечения FDS для проведения моделирования распространения дыма в многоэтажных жилых зданиях, позволяет получить значение необходимого времени эвакуации. При моделировании пожара, замечена следующая особенность, если при эвакуации, люди находятся выше плоскости равных давлений, они чаще подвергаются воздействию дыма.
Несмотря на то, что некоторые ученые уже моделировали различные пожары и эвакуацию людей в зданиях, существует множество различных типов высотных зданий и поэтому до сих пор имеется необходимость изучать развитие пожара в разных типах зданий. В данной статье в качестве объекта исследования используется высотное жилое здание, а с помощью программного обеспечения Pyrosim изучается и анализируется распространение дыма и температуры при пожаре в жилом здании.
2. Опасные факторы пожара и их критические значения
При пожаре в здании опасными факторами пожара являются дым, токсичные и вредные газы (CO, CO2, NO и т.д.), высокая температура, сажа и другие вещества. Эти опасные факторы наносят вред организму человека, когда достигают определенного значения концентрации, поэтому людям необходимо эвакуироваться, до того, как эти опасные факторы достигнут предельно допустимого значения. В данной работе рассматриваются четыре опасных фактора пожара: дым от пожара, дальность видимости окружающей среды, повышенная температура от пожара и CO угарный газ. Анализируя значение этих четырех опасных факторов пожара в течение пожара, мы можем сделать прогноз о времени безопасной эвакуации людей.
Одним из критериев оценки является видимость [5]. Видимость на уровне 2 м над уровнем пола должна составлять не менее 10 м. Если оно составляет менее 10 м, люди не смогут четко видеть путь и направление, что повлияет на время эвакуации и увеличит опасность. Температура на высоте 2 м от пола должна не превышает 60 ℃. Когда температура выше 60 ℃, это может привести к потере сознания или даже к смертельному ожогу человека из-за высокой температуры. Концентрация CO на высоте 2 м над полом составляет не более 500 промилле. Если концентрация превышает 500 промилле, то в процессе эвакуации люди будут вдыхать большое количество CO, что приведет к отравлению. Если концентрация слишком высока, это приведет к смерти.
3. Планирование места пожара в высотном здании
3.1 Структура высотного жилого дома
В данной работе в качестве примера рассматривается высотный жилой дом. Здание имеет 12 этажей при высоте этажа 2,85 метра. На каждом этаже располагаются две квартиры. В центральной части каждого этажа находится лестничная клетка и пассажирский лифт.
Точные размеры и план этажа показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. План этажа
3.2. Выбор места очага пожара
При выборе места очага пожара следует руководствоваться принципом наиболее неблагоприятного сценария пожара. При возникновении пожара на нижних и средних этажах высотного жилого здания распространение опасных факторов пожара происходит не только на этаже пожара, но и на верхние этажи, поэтому в качестве наиболее опасного сценария выбран очаг пожара на четвертом этаже, горючая нагрузка – диван в гостиной.
Площадь очага пожара составляет 0,5 м × 0,5 м, а скорость тепловыделения 800 кВт/м2. Следуя наиболее неблагоприятному распространению пожара, в Сценарии 1, двери и окна комнаты остаются в открытом положении; в Сценарии 2, двери остаются в закрытом положении, а окна в открытом.
Сетка объекта моделирования разделена на части 40 × 20 × 40, размер ячейки составляет 0,25 × 0,25 × 0,25, а общее количество ячеек – 2 048 000. Время моделирования составляет 600 с, горючая нагрузка – пенополиуретан.
4. Анализ результатов моделирования пожара в высотном жилом здании
4.1. Параметры моделирования пожара
Очаг возгорания находился в гостиной на левой стороне 4-го этажа. Причиной возгорания является непотушенная сигарета, из-за чего загорелся диван.
После возгорания дым быстро распространился по всей гостиной и начал подниматься вверх через окна гостиной. На рисунках 2-12 показано распространение пожара для сценария, когда дверь открыта. На рисунке 13 показано распространение огня для сценария при закрытой двери.
4.1.1. Распространение дыма.
Рисунок 2. Распространение дыма, 120 с
Рисунок 3. Распространение дыма, 240 с
4.1.2. Дальность видимости в вертикальной плоскости.
Рисунок 4. Дальность видимости, 120 с
Рисунок 5. Дальность видимости, 480 с
4.1.3. Особенности распространения дыма на этажа пожара
Помещение пожара – гостиная комната, расположенная на четвертом этаже. Уровень пола четвертого этажа находится на высоте 8,35 м, поэтому замеры результатов моделирования выполнялись на уровне Z = 10,35 м. На следующих рисунках показаны плоскости замера температуры, концентрации CO и дальности видимости.
Рисунок 6. Температура, 60 с
Рисунок 7. Температура, 420 с
Рисунок 8. Концентрация CO, 120 с
Рисунок 9. Концентрация CO, 420 с
Рисунок 10. Видимость, 60 с
Рисунок 11. Видимость, 240 с.
4.1.4. Особенности дыма в различных точках замера
Следующие рисунки показывают графики температуры и видимости, полученных в результате моделирования.
Рисунок 12. График температуры
Рисунок 13. Дальность видимости
4.2 Анализ результатов моделирования
После того, как в гостиной на четвертом этаже возник пожар, дым начал выходить через окна и распространяться вверх. Дым также распространяется по вертикали внутри здания, так как дым, образующийся на этаже пожара, распространяется на верхние уровни через открытую дверь в лестничной клетке.
На рисунке 3 показано, что дым распространялся вдоль окон и достиг верха здания примерно через 240 с. На рисунке 5 показано, что примерно через 480 с дальность видимости на вышележащих этажах сократилась до значения менее чем 2 м, а часть этажа со стороны пожара была полностью блокирована дымом. Как показано на рисунках 12-13, температура в помещении очага пожара достигла значения 60 ℃, а дальность видимости снизилась до значения менее 1 м примерно за 60 с. На рисунке 13 показано, что, если дверь в помещении очага пожара закрыта, дальность видимости на лестничной клетке сохраняется на уровне 30 м, задымление ей не угрожает. Если открыть дверь квартиры, где возник пожар, дым распространится по всей лестничной клетке за 480 секунд, что серьезно повлияет на эвакуацию людей.
5. Заключение
В данном исследовании применялась программа Pyrosim для моделирования пожара в высотном жилом здании. В результате анализа полученных результатов моделирования можно сделать следующие выводы:
- Высота и расположение очага пожара будут влиять на уровень пожарной опасности. Когда пожар возникает в помещении возле окна, а окна и двери открыты, дым будет распространяться очень быстро по вертикали. Это приведет к тому, что дальность видимости в помещении пожара и помещениях на верхних этажах будет быстро снижаться, и эвакуация людей на верхних этажах будет затруднена.
- Температура при пожаре изменяется в течение пожара. В начале температура резко повышается, и на уровне 2 м от пола может достичь 60 ℃ примерно через 60 с, затем температура продолжает расти. Поэтому людям, находящимся в помещении пожара, необходимо покинуть помещение в течение 60 с для безопасной эвакуации. При несвоевременной эвакуации есть вероятность получить ожог, а также подвергнуть жизнь опасности.
- Дальность видимости – один из важнейших факторов, влияющих на эвакуацию людей. Если дверь остается открытой во время пожара, дым распространяется по всей лестнице примерно через 480 секунд. Когда значение видимости достигает значений 0-3 м, обзор ограничивается, дым также содержит угарный газ, который может вызвать отравление, удушье и смерть после вдыхания в большом количестве, серьезно угрожая безопасной эвакуации людей.
- При сравнении сценария 1 и сценария 2, в случае, когда дверь закрыта, дым не распространяется вверх по лестничной клетке, что значительно сдерживает распространение дыма по вертикали. Поэтому рекомендуется всегда закрывать дверь, чтобы снизить опасность для эвакуации людей с верхних этажей при возникновении пожара.