Druga część artykułu to prezentacja wyników symulacji komputerowej. Wstęp merytoryczny do symulacji został opublikowany w pierwszej części artykułu pt. „Wstęp teoretyczny do stworzenia algorytmów zadziałania systemów przeciwpożarowych z wykorzystaniem komputerowe symulacji pożaru” w OMiI 3/2015. Wyniki symulacji komputerowej zostały omówione, porównane i przeanalizowane. Dla najlepszego scenariusza pożaru stworzono algorytm sterowania urządzeniami i systemami. Należy podkreślić, że zastosowane systemy przeciwpożarowe służące zagwarantowaniu bezpiecznych warunków ewakuacji powinny załączać się w jak najkrótszym czasie od momentu wykrycia pożaru.
Wyniki symulacji komputerowej. Temperatura na wysokości 1,8 m od posadzki
Z wykonanych symulacji przedstawiono rysunki obrazujące wzrost temperatury podczas pożaru w chwili osiągnięcia wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji dla poszczególnych scenariuszy. W celu uzmysłowienia jak rozchodzi się temperatura po analizowanej przestrzeni zastosowano izopowierzchni – jasny kolor świadczy o temperaturze +60 °C, a ciemny kolor świadczy o temperaturze +50 °C.
Widoczność podświetlanych znaków ewakuacyjnych na wysokości 1,8 m od posadzki
Spośród zasymulowanych scenariuszy zilustrowano czasy, po których dym przekracza znamionowe wartości dostępnego czasu bezpiecznej ewakuacji oraz warunków panujących w chwili osiągnięcia wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji. W celu wizualizacji jak obniża się widzialność zastosowano izopowierzchnię – jasny kolor świadczy o spadku widzialność poniżej 5 m, a ciemny kolor świadczy o spadku widzialności poniżej 10 m.
Analiza i ocena skuteczności działania urządzeń przeciwpożarowych
Dla założonego rozwoju pożaru pierwsza czujka zadziałała po czasie 36 s. Na rys. 43. przedstawiono moment wejścia czujki pożarowej w stan alarmowania.
Rys. 43. Wykres zadziałania pierwszej czujki dymu
W pracy przyjęto, że klapy dymowe będą się otwierały w I stopniu alarmowania albo w II stopniu alarmowania, w zależności od scenariusza. Dla założonych czasów zadziałania ustawiono kontrolery odpowiadające za otwarcie klap dymowych. Załączenie klap dymowych nastąpiło w 66 s (30 s zwłoka po zadziałaniu pierwszej czujki) w I stopniu alarmowania.
Wykres zadziałania przedstawiono na rys. 44.
Rys. 44. Wykres zadziałania klapy dymowej w I stopniu alarmowania
W II stopniu alarmowania kurtyny otwierały się po czasie 210 s od zadziałania pierwszej czujki. Wykres zadziałania przedstawiono na rys. 45.
Rys. 45. Wykres zadziałania klapy dymowej w II stopniu alarmowania
Opis poszczególnych symulacji
Symulacja nr 1. Jednoczesne zadziałanie kurtyny i klap dymowych w I stopniu alarmowania. Zadziałanie kurtyny dymowej w I stopniu alarmowania ogranicza rozprzestrzenianie się dymu do jednego zbiornika, a druga część pasażu pozostaje wolna od dymu. Otwarcie klap dymowych w początkowej fazie pożaru powoduje systematyczne usuwanie powstającego dymu. Jednak wraz z rozwojem pożaru klapy dymowe nie są w stanie odprowadzać na bieżąco rosnącej ilości uwalnianych gazów, co powoduje obniżenie się dymu po czasie około 170 s. W 198 s rozwoju pożaru dym ogranicza widoczność do mniej niż 10 m przy jednych drzwiach ewakuacyjnych. Intensywnie powstający dym spowodował, że po czasie 198 s od powstania pożaru kryterium DCBE zostało przekroczone, ale w tej samej chwili kończy się założony czas WCBE. Zastosowanie izopowierzchni obrazuje jak rozchodzi się widzialność na odcinki 5 m (kolor jasny) i 10 m (różowy ciemny). Temperatura przez cały okres rozwoju pożaru do chwili 198 s nie przekracza +50 °C na wysokości 1,8 m od poziomu posadzki. Dla temperatury również zastosowano izopowierzchnię, która przedstawia przemieszczanie się warstwy o temp. +60 °C (kolor jasny) i +50 °C (kolor ciemny). Biorąc pod uwagę zależność DCBE do WCBE dla scenariusza I-go można uznać, że warunki panujące podczas ewakuacji są bezpieczne. Warunek bezpiecznej ewakuacji jest spełniony.
Symulacja nr 2. Jednoczesne zadziałanie kurtyny i klap dymowych w II stopniu alarmowania. W początkowej fazie rozwoju pożaru można zaobserwować jak dym powoli wypełnia całą powierzchnię pasażu. Dym nieograniczony kurtyną dymową, ani też systemem do usuwania gorących gazów z pasażu przez klapy dymowe w 198 s pożaru ogranicza widoczność przy jednym z wyjść ewakuacyjnych. Równoznaczne jest to z przekroczeniem wartości DCBE. Wraz z czasem trwania pożaru widoczność zostaje ograniczona przy drugim wyjściu. Zadziałanie klap dymowych po czasie 246 s od momentu powstania pożaru powoduje odzyskanie widoczności przy drugim wyjściu. Z chwilą uruchomienia klap dymowych równocześnie zaczyna się opuszczać kurtyna dymowa, która blokuje rozchodzenie się pożaru w stronę drugiego zbiornika dymu. Po czasie ok. 100 s od momentu zadziałania klap i kurtyny z drugiego zbiornika, dym zostaje usunięty na zewnątrz. W chwili zakończenia zakładanego czasu bezpiecznej ewakuacji wynoszącej 378 s od momentu powstania pożaru, w zbiorniku dymu, w którym powstał pożar następuje ograniczenie widoczność dla ok. 30% powierzchni pierwszego zbiornika dymu. Temperatura przez cały okres WCBE nie wzrosła powyżej +50 °C na wysokości 1,8 m od posadzki. Zależność DCBE do WCBE pozwala stwierdzić, że warunki bezpiecznej ewakuacji są zagrożone.
Symulacja nr 3. Zadziałanie kurtyny w I stopniu alarmowania skutecznie ogranicza rozprzestrzenianie się dymu na drugą część pasażu. Brak równoczesnego zadziałania klap dymowych z kurtyną powoduje, że w 187 s pożaru zostaje przekroczony dostępny czas bezpiecznej ewakuacji. Pierwszym czynnikiem utrudniającym prowadzenie ewakuacji był dym, który ograniczył widoczność do mniej niż 10 m. Zadziałanie klap dymowych po czasie 210 s zwłoki od wykrycia pożaru powoduje rozrzedzenie nagromadzonego się dymu w zbiorniku objętym pożarem. Od momentu otworzenia się klap dymowych widzialność w pasażu powiększa się w środkowej jego części. Wraz z rozwojem pożaru widzialność przy drzwiach ewakuacyjnych maleje. W momencie osiągnięcia WCBE wynoszącego dla analizowanego scenariusza 378 s jedna trzecia pierwszego zbiornika dymu nie spełnia minimalnej widzialności 10 m. Przez cały okres trwania oszacowanej ewakuacji temp. nie przekracza +50 °C. Kryterium widoczności w omawianym scenariuszu nie pozwala na przeprowadzenie bezpiecznej ewakuacji w trakcie wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji.
Symulacja nr 4. Otwarcie się klap dymowych w I stopniu alarmowania i rozsunięcie się kurtyny dymowej w II stopniu alarmowania powoduje, że dym rozchodzi się równomiernie po całej powierzchni pasażu i stopniowo jest usuwany z powierzchni budynku. Tak określone współdziałanie dwóch systemów pozwala na utrzymanie w najdłuższym okresie czasu warunków sprzyjającym prowadzeniu ewakuacji. Przekroczenie DCBE następuje po 220 s spalania się materiałów. W okresie od 220 do 290 s w zbiorniku nieobjętym pożarem przy wyjściu ewakuacyjnym następuje ograniczenie widoczności. Opuszczenie się kurtyny w 246 s ogranicza dalsze rozchodzenie się dymu po całej powierzchni pasażu. Dym nagromadzony w drugim zbiorniku dymu zostaje usunięty, umożliwiając ewakuację z drugiej części obiektu. Po czasie 378 s widzialność w zbiorniku objętym pożarem jest możliwa tylko w jego 70%. Temperatura w analizowanej symulacji nie przekracza +50 °C na wysokości 1,8 m od posadzki. Scenariusz czwarty nie spełnia kryterium wystarczającego do przeprowadzenia bezpiecznej ewakuacji w trakcie WCBE wynoszącego 378 s.
Symulacja nr 5. W tym scenariuszu działa tylko kurtyna dymowa. Rozsunięcie kurtyny dymowej następuję w I stopniu alarmowania, co sprzyja szybkiemu nagromadzeniu się dymu w pierwszym zbiorniku dymu. Brak systemu do odprowadzania gazów pożarowych powoduje, że dym po 187 s zaczyna ogranicza widoczność do 10 m. Po upływie 198 s od momentu powstania pożaru określanym jako WCBE, dym ograniczył widoczność na odcinku około 10 m od drzwi ewakuacyjnych. Temperatura podczas ewakuacji nie przekracza +50 °C na wysokości 1,8 m od poziomu posadzki. Założenie scenariusza, w którym zadziałał tylko system do ograniczania rozprzestrzeniania się dymu powoduje przekroczenie DCBE pod względem progowych widzialności na wysokości 1,8 m od posadzki.
Symulacja nr 6. Zadziałanie tylko klap dymowym powoduje podobnie jak w scenariuszu nr 4 miarowe rozchodzenie się dymu po całej powierzchni pasażu ze stopniowym odprowadzaniem produktów spalania na zewnątrz budynku. System usuwania dymu jest w stanie zapewnić 220 s warunków bezpiecznej ewakuacji. Po tym okresie następuje przekroczenie wartości DCBE. Temperatura przez cały okres WCBE w pasażu nie przekracza +50 °C. Warunek bezpiecznej ewakuacji dla analizowanych założeń jest spełniony na skutek dodatniej wartości uzyskanej z stosunek DCBE do WCBE.
Symulacja nr 7. Symulacja nr 7 to powolny proces spalania niezakłócony działaniem żadnego systemu ograniczającego rozchodzenie się dymu oraz odpowiedzialnym za jego usuwaniem. W początkowej fazie rozwoju pożaru można zaobserwować jak gwałtowny proces tworzenia się dymu może powstać z materiałów sprzedawanych w centrach handlowych oraz jak dym się rozprzestrzenia po powierzchniach pasażu. Symulacja ta jest wyjściowym scenariuszem, od którego modeluje się zadziałanie i współdziałanie systemów przeciwpożarowych. Weryfikuje się wcześniejsze założenia, pod kątem zagwarantowania jak najbezpieczniejszych warunków ewakuacji ludzi z budynku. Od momentu przekroczenia 10 m widzialności w chwili 187 s widzialność sukcesywnie zmniejszana się. Po 378 s od momentu powstania pożaru widzialność w 70% modelowanej powierzchni jest mniejsza niż 10 m.
Dla opisanych symulacji przedstawiono w tabeli 1 najważniejsze czasy charakteryzujące uznanie warunków ewakuacji za zagrażającą życiu ludzi.
Tabela 1. Najważniejsze czasy opisujące warunki uznania ewakuacji za niebezpieczną
Warunkiem bezpiecznej ewakuacji jest spełnienie kryterium, aby dostępny czas bezpiecznej ewakuacji był dłuższy bądź równy wymaganemu czasowi bezpiecznej ewakuacji.
Z przeanalizowanych symulacji DCBE okazał się równy z WCBE dla symulacji pierwszej i dłuższy dla symulacji szóstej. Wynika z tego, że założone algorytmy zadziałania dla scenariuszy nr 1 i 6 są w stanie zapewnić opuszczającym osobom budynek odpowiednie warunki bezpiecznej ewakuacji.
Spośród zasymulowanych scenariuszy zdarzeń stworzono tabelę porównującą symulacje pod względem warunku, który jako pierwszy zagroził ewakuacji i spowodował przekroczeniem DCBE oraz warunki końcowe panujące w chwili opuszczenia wszystkich ewakuujących się osób.
Tabela 2. Zestawienie parametrów WCBE i DCBE pod względem kryterium widzialności na wysokości 1,8 m od posadzki.
Rozpatrując symulacje pod kątem scenariusza, w który po najdłuższym czasie występuje zagrożenie bezpiecznej ewakuacji charakteryzuje się scenariusz nr 4 i 6. Scenariusz nr 4 zakłada otwarcie klap dymowych w I stopniu alarmowania, a rozsunięcie kurtyny dymowej w II stopniu alarmowania, natomiast scenariusz nr 6 zakłada działanie tylko klap dymowych w I stopniu alarmowania. W obydwu scenariuszach przekroczenie DCBE zachodzi po upływie 220 s od momentu powstania pożaru. Scenariusz nr 4 w rezultacie posiada ujemny stosunek DCBE do WCBE. Z kolei biorąc pod uwagę warunki widzialności dla ewakuowanych osób panujące w chwili osiągnięcia WCBE najlepsze założenia zapewnia scenariusz nr 6.
Porównując symulacje pod kątem wybrania najlepszego scenariusza zdarzeń, cechującego się możliwie najwyższym stanem bezpieczeństwa okazał się scenariusz nr 6. Wybór najlepszego scenariusza podyktowany był najdłuższym czasem do przekroczenia warunków krytycznych w stosunku do szacowanego czasu opuszczenia przez wszystkie osoby budynku. Margines bezpieczeństwa obliczony z założenia wzoru nr (4) wyniósł 22 s. Poza tym, scenariusz nr 6 posiadał najmniejsze ograniczenie widoczności w momencie 198 s uznanej jako wymagany czas bezpiecznej ewakuacji.
Analizując scenariusze, które nie spełniły warunku DCBE – WCBE ≥ 0 nie mogą być od razu uznane, że nie są w stanie zapewnić warunków do ewakuacji. Pomimo odcięcia jednej drogi ucieczki z trzech występujących w budynku po czasie dla scenariusza nr 2 – 198 s, dla scenariusza 4 – 220 s oraz dla scenariuszy nr 3 i 5 – 187 s pozostają jeszcze 2 wyjścia ewakuacyjne. Przypuszczalny rozwój ewakuacji dla algorytmu nr 2 – po czasie 198 s pozostałoby nieograniczone dymem 57% szerokości wyjść ewakuacyjnych, którymi osoby mogłyby opuścić budynek. Sugerując się wyliczeniem matematycznym wykorzystano ponownie wzór na obliczenie czasu przemieszczania się ewakuowanych osób po zmniejszonej szerokości wyjść ewakuacyjnych. Utrata 3 m z szerokości wyjścia ewakuacyjnego wydłuży czas ewakuacji o dodatkowe 83 s. Wymagany czas bezpiecznej ewakuacji wyniósłby 461 s. Poniżej przedstawiono warunki widzialności w chwili osiągnięcia WCBE po korekcie.
Zadziałanie kurtyny dymowej w II stopniu alarmowania uniemożliwia przedostawanie się dymu do drugiego zbiornika, który przez wydłużony okres ewakuacji ludzi pozostaje w miarę wolny od dymu. Zadziałanie klap dymowych spowoduje odprowadzanie nagromadzonego dymu w zbiorniku nieobjętym pożarem, dając tym samym możliwość ewakuacji wszystkich osób z budynku. Wobec tego scenariusz nr 2 pomimo przekroczenia DCBE w momencie 198 s jest w stanie zagwarantować opuszczenie budynku przez wszystkie osoby w wydłużonym czasie ewakuacji.
Wnioski
Utrudnieniem ewakuacji w centrach handlowych jest powstający gęsty dym z produktów sprzedawanych i magazynowanych, dlatego odpowiednie założenie i wykonanie instalacji odprowadzających dym i ciepło jest tak ważne, by utrzymać wymagane warunki temperaturowe i widoczności na drodze ewakuacyjnej podczas trwania ewakuacji.
W pracy zaobserwowano, że otwarcie klap dymowych w I stopniu alarmowania w stosunku do II stopnia alarmowania powoduje zmniejszenie temperatury występującej w zbiorniku nieobjętym pożarem na skutek wcześniejszego rozpoczęcia odprowadzania dymu przez klapy. Zadziałanie kurtyny dymowej w I stopniu alarmowania (w początkowej fazie rozwoju pożaru) skutkuje ograniczeniem przemieszczenia się dymu do drugiego zbiornika nieobjętego pożarem.
Biorąc pod uwagę najniższą maksymalną temperaturę panującą w czasie ewakuacji na wysokości 1,8 m od poziomu posadzki spośród wszystkich przeprowadzonych symulacji, posiada scenariusz szósty zakładający otwarcie klap dymowych w I stopniu alarmowania. W trakcie trwania symulacji nr 6 maksymalna temperatura panująca podczas ewakuacji nie przekroczyła +40 °C. Wszystkie przeprowadzone symulacje pod względem temperaturowym spełniają warunek nie przekroczenia wartości +50 °C mierzonej na wysokości 1,8 m od poziomu posadzki w trakcie wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji.
Z zasymulowanych algorytmów zdarzeń, warunek widzialności zapewniły tylko dwa scenariusze. Tymi algorytmami są: scenariusz nr 1 zakładający jednoczesne zadziałanie kurtyny dymowej i klap dymowych w I stopniu alarmowania oraz scenariusz nr 6 ustalony na otwarcie się tylko klap dymowych w I stopniu alarmowania. W obu przypadkach ewakuacja z budynku została zakończona zanim powstały warunki zagrażające jego użytkownikom. Założony algorytmy zadziałania urządzeń przeciwpożarowych w scenariusza nr 1 i 6 jest w stanie utrzymać stabilne warunki ewakuacji. Wybrano, że najlepszym algorytmem zadziałania, cechującym się możliwie najwyższym stanem bezpieczeństwa jest scenariusz nr 6, zakładający zadziałanie jedynie klap dymowych w I stopniu alarmowania. Wybór najlepszego scenariusza dla przedmiotowego obiektu użyteczności publicznej wynikał z najdłuższego czasu, po którym powstające warunki krytyczne zagrażają ewakuowanym osobom. Margines bezpieczeństwa obliczony z założenia DCBE – WCBE wyniósł 22 s. Ponadto scenariusz nr 6 posiadał najmniejsze ograniczenie widoczności w momencie osiągnięcia wymaganego czasu bezpiecznejewakuacji ustalonego dla I stopnia alarmowania 198 s.
Scenariusze nr 2, 3, 4, 5, dla których dostępny czas bezpiecznej ewakuacji był mniejszy niż wymagany czas bezpiecznej ewakuacji zaistniało narażenie życia i zdrowia użytkowników budynku. W podanych scenariuszach w pierwszych czterech minutach od momentu powstania pożaru na skutek dużego zadymiania został przekroczony warunek widzialność na wysokości 1,8 m od posadzki, który spadł poniżej 10 m. Z chwilą utraty widzialności następowało przekroczenie dostępnego czasu bezpiecznej ewakuacji. W celu poprawy warunków bezpieczeństwa na drodze ewakuacyjnej panujących w analizowanym obiekcie dla niespełniających kryteriów scenariuszy można zastosować samoczynne urządzenia gaśnicze wodne, których zastosowanie wpłynie na opóźnienie rozwoju pożaru. Powiększenie o 250% powierzchni czynnej klap dymowych oraz otworów dolotowych sprawi, że powstający dym będzie w miarę na bieżąco usuwany na zewnątrz budynku. Zastosowanie jednego z dwóch rozwiązań wpłynie na wydłużenie dostępnego czasu bezpiecznej ewakuacji.
Podsumowując pracę nasuwa się wniosek, że zastosowane systemy przeciwpożarowe służące zagwarantowaniu bezpiecznych warunków ewakuacji powinny załączać się w jak najkrótszym czasie od momentu wykrycia pożaru, czyli w I stopniu alarmowania. Zaproponowanie zadziałania systemów w II stopniu alarmowania w stosunku do I stopnia alarmowania powoduje wydłużenie zakładanego wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji o czas różnicy w alarmowaniu. W rezultacie WCBE jest za długi do DCBE, ponieważ użyte systemy spełniające wytyczne normowe nie są w stanie przez tak długi okres czasu zapobiec powstaniu czynników zagrażających użytkownikom budynku.
Dla najlepszego scenariusza zadziałania systemów przeciwpożarowych stworzono algorytm zaprezentowany na rys. 47.
Opisując najlepszy scenariusz zadziałania i współdziałania systemów oraz urządzeń przeciwpożarowych jakim jest otwarcie klap dymowych w I stopniu alarmowania, zauważono jak wczesne wygenerowanie alarmu II stopnia wpływa na przebieg ewakuacji. Wymagany czas bezpiecznej ewakuacji zakończy się zanim powstaną warunki krytyczne.
Dla zasymulowanych scenariuszy zdarzeń przygotowano algorytm alarmowania (rys. 48). Moment wciśnięcia ROP-a ustalono na 15 s po zadziałaniu I czujki.
Analizując stworzony algorytm widać jak przekłada się szybkie zaalarmowanie ludzi na ich bezpieczeństwo. Praca odrzuca klasyczne zadziałanie z II stopnia alarmowania w wyniku jednej czujki plus czas na zwłokę wynoszącą 210 s, ponieważ po tak długim okresie czasu następuje zagrożenia życia ludzkiego. Alarmowanie z I stopnia powoduje szybszą reakcję na zdarzenie przebywających w budynku osób oraz tym samym umożliwia zakończenie ewakuacji przed wystąpieniem czynników krytycznych.
mgr inż. Łukasz Chołuj
Zespół Laboratoriów
Sygnalizacji Alarmu Pożaru i Automatyki
Pożarniczej CNBOP-PIB
