Modelování Požáru ve Veselí nad Lužnicí

• Foto

Při komplikované dispozici vícepodlažních budov mohou vzniknout při návrhu požární odolnosti složité požární úseky. V atriích a prostorech se složitou geometrií není možné, aby oheň zahltil celý prostor najednou. Na skutečných požárech bylo často pozorováno postupné šíření požáru, při kterém plameny zahltily pouze část úseku. Po vyhoření paliva na jednom místě se požár šířil do dalších částí s doposud nevyhořelým palivem. Pro nedostatek informací a věrných modelů se tento jev doposud popisoval modelem s rovnoměrným hořením v celém požárním úseku nebo lokálním požárem. Při rovnoměrném hoření dochází k prostorovému vzplanutí, k ohřevu plynu na vysoké teploty ve velice krátké době. Zatímco při šíření požáru vznikají oblasti s vyšší a nižší teplotou s delší dobou trvání, což může mít nepříznivější vliv na mechanickou odezvu konstrukce. Pro spolehlivý návrh konstrukce lze zohlednit oba scénáře, rovnoměrné hoření v celém úseku i šíření požáru. Rozhoduje ten, který je méně příznivý pro mechanickou odezvu konstrukce.

Šíření požáru, horizontálně i vertikálně, lze popsat pomocí výpočetních modelů dynamické analýzy plynů (Computational Fluid Dynamics – CFD). Metodu CFD využívá software, který je schopný řešit růst a šíření požáru. Díky přesnému popisu většiny fyzikálních vlivů jako jsou geometrie požárního úseku, rychlost uvolňování tepla z paliva, podmínek větrání a turbulence plynu, vykazuje software předpověď blízkou reálnému požáru.

ŠÍŘENÍ POŽÁRU VE VESELÍ NAD LUŽICÍ
Při požární zkoušce na dvoupodlažní administrativní budově ve Veselí nad Lužnicí evropského projektu COMPFIRE byl připraven požární scénář, který umožnil studium modelu šíření požáru a ověřil předpověď požáru metodou CFD. Požární zatížení v horním podlaží experimentální budovy bylo navrženo numerickou simulací. Na plochu 24 m2 bylo umístěno 24 hranic z dřevěných latí o rozměrech 50/50/1 000 mm, viz obr. 1 a 2. Každá hranice byla sestavena z šesti vrstev po sedmi latích, tj. 42 latí v jedné hranici. Celkový objem paliva byl 2,52 m3 dřeva. Množství použitého požárního zatížení odpovídalo hodnotě 173,5 MJ/m2. Smrkové dřevo mělo vlhkost 12 %. Přívod vzduchu zajišťoval okenní otvor o rozměrech 2,0 × 5,0 m s parapetem výšky 1,2 m. K rovnoměrnému zapálení dřevěných hranic sloužil tenkostěnný U profil vyplněný minerální vatou napuštěnou petrolejem umístěný při jižní fasádě objektu, viz obr. 1. Požár se v interiéru šířil od jižní k severní straně požárního úseku. Jeho průběh i rozvoj teplot plynů dobře odpovídaly předběžným simulacím. Mechanické zatížení, kromě vlastní tíhy konstrukce, nebylo pro tuto první požární zkoušku aplikováno.

PŘEDPOVĚĎ PRŮBĚHU POŽÁRU
Simulace předpovídající rozvoj teplot během požární zkoušky byla provedena pomocí výpočetního softwaru FDS (Fire Dynamics Simulator). Na následujících obrázcích je model požárního úseku, který byl vytvořen tak, aby co nejlépe odpovídal požárnímu úseku v horním podlaží experimentální budovy ve Veselí n. L. Mezera uprostřed hranic dřeva vznikla na základě použité výpočetní mřížky a neměla na předpověď šíření požáru vliv. Podle modelu se požár šířil od jižní k severní straně požárního úseku, viz obr. 3. K celkovému vzplanutí došlo po 25 min. Během fáze plně rozvinutého požáru dosahovaly plameny úrovně stropu. Maximální hodnota rychlosti uvolňování tepla dosáhla 15 MW, viz obr. 4.

Před celkovým vzplanutím dosahovala teplota plynu v modelu přibližně 400 °C. Teplota rychle vzrostla po 25. min. Maximální teploty bylo dosaženo ve 30. min u sloupu B2. Na obr. 5 je teplota plynu v blízkosti sloupu B2 porovnána s průběhy teplot naměřených na čtyřech plášťových termočláncích během požární zkoušky. Poloha bodu B2 a termočlánků TG3, TG4, TG9 a TG10 je znázorněna na obr. 6.

Dále je porovnána teplota v bodě blíže ke zdroji zapálení a okennímu otvoru, viz obr. 7. Poloha bodu T1 v modelu a plášťového termočlánku TG13 při požární zkoušce je znázorněna na obr. 6.

SKUTEČNÁ TEPLOTA PŘI POŽÁRU
Teplota plynu v požárním úseku byla měřena pomocí 20 plášťových termočlánku o průměru 3 mm. Byly umístěny na úrovni spodní a horní pásnice nosníků (TG2-TG4, TG6-12) a (TG1, TG5). Teplotní profil po výšce požárního úseku byl měřen sedmi termočlánky (TG14-TG20). Nejvyšší teplota 979 °C byla naměřena ve 26. min na termočlánku TG3 v blízkosti sloupu B2. Z grafů na obr. 5 a 7 je vidět přibližně 5 min zpoždění modelu oproti skutečnosti. Při požární zkoušce došlo k celkovému vzplanutí kolem 20. min hoření, během simulace lze tento jev pozorovat ve 25. min. Hodnoty maximální naměřené i vypočtené teploty se shodují se stejným zpožděním. Nepřesnost vznikla nedostatečnou znalostí výhřevnosti paliva. Při modelování v programu FDS byly použity tabulkové hodnoty výhřevnosti smrkového dřeva. Po kalorimetrické zkoušce byly zjištěny výrazné odlišnosti ve skutečné výhřevnosti. Na obr. 8 je zachycen průběh požáru z 6. 9. 2011 ve Veselí n. L v 5., 10., 15., 20., 25., 30., 35. a 40. min. Šíření požáru lze porovnat s výsledky ze simulace v programu FDS na obr. 3.

SOUHRN
Podle nedávných poznatků nemusí být modely s nominálními teplotními křivkami při návrhu vícepodlažních konstrukcí za zvýšené teploty díky vlivu šíření požáru výstižné. Studie [1] z Velké Británie dokazuje výskyt šíření požáru i v malých požárních úsecích. Ve velkých nedělených prostorech může dojít k ještě výraznějšímu šíření. V současné době lze růst a šíření požáru předpovědět pomocí výpočetního softwaru pomocí výpočetních modelů dynamiky plynů CFD.

Požární zkouška v horním podlaží administrativní budovy ve Veselí nad Lužnicí připravená v rámci projektu COMPFIRE umožnila studium modelu šíření požáru a ověření předpovědi požáru modelem CFD. Další informace o zkouškách a fotodokumentaci lze nalézt na http://fire.fsv.cvut.cz/test-veseli-2011.

Příspěvek byl vypracován za podpory projektu MŠMT COST Šíření požáru ve vícepodlažních objektech č. LD 11039.

ZDROJE INFORMACÍ:

• Wald, F., Jána, T., Horová, K., Design of joints to composite columns for improved fire robustness to demonstration fire tests, Česká technika – nakladatelství ČVUT, 2011, 26 s., ISBN 978-80-01-04871-9
• ČSN EN 1991-1-2: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru, ČNI 2004
• Rein G.:“Multi-story Fire Analysis for High-Rise Buildings”, Proceedings of the 11th International Interflam Conference, London, Sept. 2007
• McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018-5, Baltimore: 2008
• McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Ver. 5) Users Guide, NIST SpecialPublication 1019-5, Baltimore: 2008.
• [1] Gillie M., Stratford T.: The Dalmarnock Fire Tests: Experiments and Modelling: Chapter 8 Behaviour of the Structure During the Fire, School of Engineering and Electronics, University of Edinburgh, 2007, ISBN 978-0-9557497-0-4

Fire Modelling in Veselí nad Lužnicí
The second article about fire drills in two-floor building performed on 6th and 15th September 2011 in Fire test building PAVUS premises, a. s. in Veselí nad Lužnicí describes the forecast of fire spreading in upper floor of tested building by means of advanced proposal model. Simulations are compared with real development of temperature that was measured in fire area.

Autoři

• Ing. Horová Kamila
• Ing. Jána Tomáš
• Prof. Ing. Wald František CSc.