Ocena bezpieczeństwa użytkowników tunelu drogowego z wentylacją wzdłużną w warunkach pożaru przy wykorzystaniu narzędzi modelowania numerycznego

• Autorzy: Nawrat S. , Schmidt-Polończyk N. , Napieraj S.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.43.3.2016.23

Warianty tytułu

EN

Safety Assessment of Road Tunnels with Longitudinal Ventilation, During a Fire Incident, Utilizing Numerical modelling Tools

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Przedstawienie procesu oceny bezpieczeństwa użytkowników podczas pożaru w tunelu drogowym, wentylowanym wzdłużnym systemem wentylacji, z wykorzystaniem narzędzi modelowania numerycznego. Wprowadzenie: W przypadku pożaru w tunelu drogowym najważniejsze są działania samoratownicze podejmowane przez użytkowników korzystających z tego obiektu. Ich skuteczność zależy od szeregu parametrów, w tym od geometrii tunelu, systemów bezpieczeństwa (np. wentylacji), rodzaju spalanego materiału, strumienia wyzwalanego ciepła HRR (ang. heat release rate) podczas pożaru, czy rozmieszczenia wyjść ewakuacyjnych. Narzędzia modelowania numerycznego są coraz częściej wykorzystywane m.in. do oceny skuteczności systemów bezpieczeństwa oraz bezpieczeństwa użytkowników w trakcie ewakuacji, co z kolei sprawdzane jest zazwyczaj na etapie projektowym danego obiektu. Osoba przeprowadzająca badania numeryczne musi posiadać wiedzę z zakresu wielu dziedzin, znać: podstawy modelowania matematycznego, wykorzystywane narzędzia oraz ich ograniczenia, zagadnienia związane z metodą obliczeniowej mechaniki płynów (CFD), specyfikę pożaru oraz potrafić poprawnie dobierać parametry początkowo-brzegowe. Metodologia: W artykule przedstawiono wyniki studium literatury specjalistycznej, w tym wybrane krajowe i międzynarodowe wytyczne projektowe, stanowiące wypadkową dyskusji naukowo-technicznych, badań numerycznych, laboratoryjnych oraz testów w skali rzeczywistej. Ponadto w pracy zaprezentowano wyniki badań własnych autorów artykułu realizowanych w ramach bieżącej działalności Wydziału Górnictwa i Geoinżynierii Akademii Górniczo-Hutniczej. Wnioski: Komputerowe metody numeryczne wykorzystano do kompleksowej oceny bezpieczeństwa użytkowników tunelu drogowego z wentylacją wzdłużną w warunkach pożaru. Oceny tej dokonano przy zastosowaniu kryterium bezpiecznej ewakuacji, której wyznaczenie wymaga określenia czasu pojawienia się w tunelu krytycznych warunków środowiskowych zagrażających zdrowiu lub życiu osób podejmujących działania samoratownicze oraz czasu wyewakuowania się wszystkich użytkowników tunelu w bezpieczne miejsce. W pracy przedstawiono przebieg oceny, istotne założenia i parametry początkowo-brzegowe ze wskazaniem na źródła literatury fachowej oraz wyniki analiz własnych, na podstawie których należy stwierdzić, że w tunelach jednokierunkowych, o długości 1500 m z systemem wentylacji wzdłużnej nie zostanie zapewniony wymagany poziom bezpieczeństwa w warunkach pożaru o mocy 30 MW, w przypadku braku wyjść ewakuacyjnych oraz rozmieszczenia ich co 500 m.

EN

Aim: To identify an evaluation process concerning the safety of road tunnel users during a fire incident. The study focussed on tunnels with longitudinal ventilation systems and examined safety from an evacuation perspective, utilizing numerical modelling tools. Introduction: During a fire outbreak in road tunnels, the behaviour of users is critical, specifically during their individual attempts at rescue and evacuation. The outcome from such endeavours is dependent on a range of factors, including: tunnel geometry, safety systems in existence, ventilation, makeup of combustible material, heat release rate during burning and location of emergency exits. The use of numerical modelling tools is becoming an accepted norm, which, among others, is used to evaluate the effectiveness of safety systems as well as the safety of users during an evacuation. The latter is usually tested at the facility project design stage. Conduct of such activities require an individual to have detailed knowledge of a range of disciplines, thorough knowledge of mathematical modelling and application tools, awareness of software limitations, issues associated with computational fluid dynamics, specific knowledge concerning the behaviour of fires and appropriate selection of boundary conditions. Methodology: This article reveals outcomes from a literary review of specialist material, including selected national and international project design guidelines derived from science and technology discussions, and numeric research performed in laboratory as well as real life conditions. Additionally, the paper presents original research results produced by the authors in the course of their ongoing activities at the Faculty of Mining and Geoengineering, at the AGH University of Science and Technology. Conclusions: Computer numerical methods were harnessed to perform an assessment of safety in a fire environment, for users of road tunnels with longitudinal ventilated systems. This assessment was performed by applying a safe evacuation criterion, which requires identification of the start time when the critical environmental conditions occur in the tunnel, that is conditions presenting a hazard to the life and health of people who undertake self rescue activities, and duration of users evacuation to a safe location. The study identified essential assumptions, boundary parameters, specialist bibliography and analysis results from the work performed by the authors. Outcome from research indicates that in one-way road tunnels, of 1500 metres in length, without emergency exits or with exits spaced 500 metres apart, and ventilated by longitudinal systems, the required safety level will not be achieved during a fire incident with a heat release rate of 30 MW.

Słowa kluczowe

PL

bezpieczeństwo pożarowe; tunel drogowy; wentylacja pożarowa; wentylacja wzdłużna; ewakuacja

EN

fire safety; road tunnel; fire ventilation; longitudinal ventilation; evacuation

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 43, nr 3
• Strony: 253--264
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Nawrat S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Schmidt-Polończyk N.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

autor

Napieraj S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Bibliografia

• [1] Nawrat S., Schmidt-Polończyk N., Napieraj S., Selected issues concerning protection of road tunnel structures and ventilation systems in relation to fire hazard, “AGH Journal of Mining and Geoengineering” 2012, 235-245.
• [2] PIARC: Lessons Learned From Recent Tunnel Fires. France: PIARC Committee on Road Tunnels Operation (C3.3), 2006.
• [3] PN-EN ISO 13943: 2002 Bezpieczeństwo pożarowe - terminologia.
• [4] Fera M., Macchiaroli R., Use of analytic hierarchy process and fire dynamics simulator to assess the fire protection systems in a tunnel on fire, “International Journal of Risk Assessment and Management” 2010, 14(6), 504-529.
• [5] Høj N. P., Discussion of the hazards for tunnels in operation - presented in context of risk analysis and in design for safety, Warsaw 2006.
• [6] RABT: Forschungsgesellschaft fur Strassen-and Verkehrswesen, Richtlinien fuer Ausstattung und Betrieb von Strassentunneln, 2006.
• [7] British Standard PD 7974-6:2004: The application of fire safety engineering principles to fire safety design of buildings. Part 6: Human factors: Life safety strategies-Occupant evacuation, behaviour and condition (Sub-system 6).
• [8] Działanie instalacji przeciwpożarowej wynikającej z założeń scenariusza pożarowego, [ w:] Podręcznik projektanta systemów sygnalizacji pożaru, Część I i II. Izba Rzeczoznawców SITP, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2010.
• [9] PIARC: Road Tunnels. Operational Strategies for Emergency Ventilation. France. PIARC Committee on Road Tunnels 2011.
• [10] Fliszkiewicz M., Krauze A., Maciak T., Możliwości stosowania programów komputerowych w inżynierii bezpieczeństwa pożarowego. BiTP Vol. 29 Issue 1, 2013, 47-60.
• [11] Ronchi E., Kinsey M., Evacuation models of the future: insights from an online survey of user’s experiences and needs, [in:] Proceedings of the Advanced Research Workshop: “Evacuation and Human Behaviour in Emergency Situations, J. Capote, D. Alvear (eds.), Universidad de Cantabria, Spain 2011.
• [12] Fliszkiewicz M., Krauze A., FDS – Wstęp do wentylacji pożarowej – badanie skuteczności projektowanych instalacji wentylacji oddymiającej, 2015 [dok. elektr.] http://www.inf.sgsp.edu.pl/symulacje/cwiczenia/materialy/wprowadzenie_do_cwiczenia5.pdf,[dostęp: maj 2015].
• [13] Haron F., Alginahi Y., Kabir M., Mohamed A., Software Evaluation for Crowd Evacuation – Case Study, “Al-Masjid An-Nabawi. International Journal of Computer Science Issues” 2012, 128-134.
• [14] McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Baum H., Rehm R., Mell W. i inni., Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide, Volume 1: Mathematical Model, NIST Special Publication, Washington 2010.
• [15] Chybowski R., Konecki M., Tuśnio N., Wykorzystanie programu komputerowego do modelowania pożaru w tunelu kablowym, „Zeszyty Naukowe SGSP” 2009, 39, 61-79.
• [16] Maciak T., Czajkowski P., (2015): Modelowanie rozwoju pożaru w pomieszczeniach zamkniętych. Cz. 1. Model Matematyczny. [dok. elektr.] http://www.inf.sgsp.edu.pl/symulacje/cwiczenia/materialy/cw4/model_matematyczny_fds.pdf [dostęp: 7 czerwca 2015].
• [17] ASTME1355: Standard Guide for Evaluating Predictive Capability of Deterministic Fire Models, American Society for Testing and Materials, Pennsylvania 2015.
• [18] McDermott R., McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Fire Dynamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 2: Verification. USA: National Institute of Standards and Technology, 2010.
• [19] McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., McDermott R., Fire Dynamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 3: Validation, National Institute of Standards and Technology, USA 2010.
• [20] Thunderhead Engineering: Pathfinder 2014.2 Verification and Validation, 2014.
• [21] Thunderhead Engineering, STIGO: Pathfinder 2011 Instrukcja obsługi. [dok. elektr.] http://www.pyrosim.pl/przydatne-linki/ [dostęp: 8 maja 2015].
• [22] Hart P.E., Nilsson N.J., Raphael B., A Formal Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths. Transactions on Systems Science and Cybernetics (SSCA). SSC-4 (2), 1968, 100-107.
• [23] SFPE: Engineering Guide - Human Behavior in Fire. USA: Fire Society of Protection Engineers, 2003.
• [24] Nelson H. E., Mowrer F. W.: Emergency Movement. W S. o. Engineers, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. National Fire Protection Association, 2002.
• [25] Guidelines for Evacuation Analysis for New and Existing Passenger Ships. MSC.1/Circ.1238. London: International Maritime Organization, 2007.
• [26] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. (Dz. U. Nr 63, poz. 735 z póź. zm.).
• [27] Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej.
• [28] Atkinson G., Wub Y., Smoke control in sloping tunnels, “Fire Safety Journal” 1996, 27(4), 335-341.
• [29] Wu Y., Bakar M., Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems – a study of the critical velocity, “Fire Safety Journal” 2000, 35(4), 363-390.
• [30] Palazzi E., Fabiano B., Pastorino R., Maschio G., Tunnel ventilation modelling in sloped tunnels, “Chemical Engineering Transactions” 2009, 17, 349-354.
• [31] PIARC: Systems and Equipment for Fire and Smoke Control in Road Tunnels. France: PIARC Committee on Road Tunnels Operation (C3.3), 2007.
• [32] PIARC: Fire and Smoke Control in Road Tunnels. France: PIARC Committee on Road Tunnels (C5), 1999.
• [33] CETU: Dossier Pilote des Tunnels Équipements, section 4.1 Ventilation: Centre détudes des Tunnels, France, 2003.
• [34] British Standard PD 7974-1:2003. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Part 1: Initiation and development of fire within the enclosure of origin.
• [35] British Standards PD 7974-5:2003. Application of fire safety engineering principles to the design of buildings. Part 5: Fire service intervention.
• [36] Mulholland G., Smoke Production and Properties, [in:] SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd Edition, 1995, 217-227.
• [37] Gehandler J., Ingason H., Lönnermark A., Frantzich H., Strömgren M., Performance-based design of road tunnel fire safety, Proposal of new Swedish framework. Fire Safety. Case Studies in Fire Safety, 2014, 18–28.
• [38] BD 78/99 Design Manual for Roads and Bridges. Part 9: Design of Road Tunnels. United Kingdom 1999.
• [39] Sztarbała G., Oddziaływanie wiatru na przepływ powietrza w tunelu w warunkach pożaru, Rozprawa doktorska, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2012.
• [40] Smith J., Agent-Based Simulation of Human Movements During Emergency Evacuations of Facilitie, American Society of Civil Engineers, Canada: American Society of Civil Engineers, 2008, 1-10.
• [41] Jaszczur M., Nowak R., Szmyd J., Branny M., Karch M., Wodziak W., An application of SPIV technique to experimental validation of the turbulence model for the air flow in the intersection of the mining face with the ventilation gallery, “Journal of Physics” 2011, 1-6.
• [42] Brzezińska D., Rozprzestrzenianie się dymu. Poprawność wykonania symulacji komputerowych CFD, „Ochrona Przeciwpożarowa” 2008, 34-35.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.