Seminar HKA HUZOP-PrimjenaCFD Dv Stozice

SEMINAR HRVATSKE KOMORE ARHITEKATA i Hrvatske udruge za zaštitu od požara (HUZOP)

Zaštita od požara i sloboda u arhitektonskom projektiranju

PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA S CILJEM SMANJENJA ARHITEKTONSKIH OGRANIČENJA I UŠTEDA NA PROJEKTU © dr.sc. Miodrag Drakulić, dipl.ing.stroj.

SPORTSKA DVORANA STOŽICE U LJUBLJANI

1

UVOD - ODVOĐENJE DIMA I TOPLINE IZ GRAĐEVINA 



Spomenuta problematika spada u uže područje zaštite od požara građevina, koje se definira kao “odvođenje dima i topline iz građevina”. Osnovni ciljevi sustava za odvođenje dima i topline, u daljnjoj prezentaciji sustava za odimljavanje su: →

osigurati pravovremenu i efikasnu odvodnju dima iz objekta ugroženog požarom, s ciljem da se putovi evakuacije održe slobodnim od dima, te da se

→

konstruktivni elementi građevine “rasterete” od izravnog toplinskog utjecaja dima prilikom njegovovog širenja objektom (izražen efekt tzv. stratifikacije dima zbog termičkog uzgona!).

Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.

30. lipanj 2010. Građevinski fakultet Zagreb

2

PODJELA SUSTAVA ZA ODIMLJAVANJE



Temeljna podjela sustava za odimljavanje: a) sustavi prirodnog odimljavanja (Gradijent tlaka, tj. pokretačka sila potrebna za odimljavanje ostvarena je tzv. “termičkim uzgonom”, zbog razlike u gustoći vrućeg dima i okolnog hladnijeg zraka.)

b) sustavi prisilnog (mehaničkog) odimljavanja (Gradijent tlaka, tj. pokretačka sila potrebna za odimljavanje ostvarena je radom mehaničke ventilacije). 

Prvi izbor projektanta je sustav prirodnog odimljavanja! Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


3

REFERENCE AUTORA (I) 

Djelatnici tvrtke CTP Projekt sa svojim suradnicima su u prethodnom razdoblju obavili numerička modeliranja procesa prirodnog odimljavanja programskim paketom FLUENT® za sportske dvorane:   

Arena Zagreb[1] u Zagrebu (15.000 mjesta) Spaladium Arena u Splitu (12.000 mjesta) Dvorana Stožice u Ljubljani (12.500 mjesta)

Prema našim saznanjima i raspoloživim dokumentima, istovjetnim programom obavljeno je i numeričko modeliranje sustava mehaničkog odimljavanja sportske arene u Budimpešti (12.500 mjesta). [1]

Izrađeno za vrijeme rada u Brodarskom institutu u Zagrebu.



4

REFERENCE AUTORA (II)

Pogled na krov Arene Zagreb Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


5

REFERENCE AUTORA (III)

Pogled na krov Spaladium Arene u Splitu u izgradnji Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


6

REFERENTNI OBJEKTI

Olimpijska dvorana u Torinu (13.000 sjedala), XX Zimska Olimpijada 2006. Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


7

SPORTSKI PARK STOŽICE (Autori: Sadar Vuga Arhitekti, Ljubljana)



8

SPORTSKI PARK STOŽICE



9

SPORTSKA DVORANA STOŽICE

Dužina dvorane: cca 126 m (na najdužem dijelu) Širina dvorane: cca 106 m (na najširem dijelu) Visina dvorane: 34 m (sredina dvorane) Broj aktivnih kupola za odimljavanje: 34 kom.

Neto tlocrtna površina građevine:

31.968 m2

Bruto tlocrtna površina građevine:

34.755 m2

Neto volumen građevine:

283.995 m3

Bruto volumen građevine:

316.355 m3



10

SPORTSKA DVORANA STOŽICE Uzdužni presjek



11

SPORTSKA DVORANA STOŽICE – Foto galerija 1



12




13




14

CILJ STUDIJE ODIMLJAVANJA DVORANE STOŽICE 









Provjera i analiza učinkovitosti rada predviđenog sustava prirodnog odimljavanja u slučaju nastanka požara. U konkretnom slučaju sportske dvorane STOŽICE, potrebno je dokazati da dim neće ugroziti evakuacijske puteve niti će se prilikom širenja spustiti na visinu nižu od 2 m (1,83 m) od razine poda, tj. najviše razine tribine. Određivanje temperaturnog polja u području metalne krovne konstrukcije, te procjena maksimalne temperature u spomenutoj zoni → ulazni podatak u proračunima statike metalne krovne konstrukcije. Provjera učinkovitosti odimljavanja s preliminarnim razmještajem krovnih kupola, odnosno određivanje dimenzija i optimalnog rasporeda krovnih kupola namijenjenih za odvod dima Provjera potrebe ugradnje dimnih zavjesa, zavjesa planiranih temeljem primjene smjernice TRVB S 125 - „Rauch und Wärmeabzugsanlagen“. Prijedlog optimalnog smještaja i dimenzioniranje kanala/otvora za dovod svježeg zraka. zraka Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


dozračnih

15

METODOLOGIJA (I) 

Dimenzioniranje sustava za odimljavanje je moguće obaviti koristeći 2 bitno različita metodološka pristupa: a) “preskriptivni” pristup Podrazumjeva striktno pridržavanje postojeće tehničke regulative iz predmetnog područja, npr. TRVB 125 i dr. Poštivanjem odredaba iz korištene tehničke regulative pretpostavlja se da je sustav ispravno dimenzioniran i da implicitno ispunjava postavljene zadaće  standard u projektantskom radu!

b) “performance based” pristup Treba dokazati unaprijed zadano svojstvo, odnosno postavljeni zahtjev  primjereno velikim i kompleksnim objektima i razvojnoistraživačkom radu. Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


16

METODOLOGIJA (II) 



Provjera i analiza učinkovitosti rada sustava prirodnog odimljavanja dvorane STOŽICE obavit će se “performance based” postupkom. Općenito gledajući “performance based” pristup u projektiranju sustava prirodnog odimljavanja zahtjeva korištenje različitih numeričkih alata koji se mogu grupirati kao: a) Zonski modeli, modeli najčešće 2-zonski modeli. Ova vrsta numeričkih modela pretpostavlja da se dim u gornjem dijelu prostorije i nezadimljeni prostor u donjem dijelu prostorije ponašaju kao dvije potpuno odvojene plinske faze. b) CFD modeli (eng. Computational Fluid Dynamics), tzv. modeli računalne dinamike fluida.



17

METODOLOGIJA (III) 



Za provedbu postupka analize predviđeno je korištenje CFD programskog paketa Fluent®. Radi se o programskom paketu za opću primjenu u mehanici fluida, što uključuje i termodinamiku požara. Osim spomenutog Fluenta, renomirani programski CFD paketi specijalizirani za rješavanje problema iz područja požarnog inženjerstva su npr. PHOENICS i FDS (Fire Dynamic Simulator) CFD modeli se u stručnoj terminologiji još zovu i modeli polja (eng.“field models”), obzirom da se kao rezultat provedenog numeričkog modeliranja prikazuju različita fizikalna polja (polja brzina, tlakova, temperatura, koncentracije i sl.).



18

METODOLOGIJA (IV)



Metodologija izrade numeričkih simulacija podrazumijeva sljedeće korake: (a) generiranje 3-D modela (b) generiranja numeričke mreže (c) definiranje ulaznih podataka (d) numerička simulacija (e) obradu i analizu numeričkih rezultata (f) potvrda numeričkih rezultata eksperimentom (!)



19

3-D MODEL DVORANE

Pogled na krov sa preliminarnom pozicijom kupola za odimljavanje



20

3-D MODEL DVORANE

Pogled na unutrašnjost dvorane Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


21

3-D MODEL DVORANE

Pogled na unutrašnjost dvorane, s dovodima svježeg zrak na razini terena Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


22

Numerička mreža dvorane – izometrija

Numerička mreža modela - požarni scenarij 1 (požar na terenu) Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


23

Numerička mreža dvorane – izometrija

Numerička mreža modela - požarni scenarij 2 (požar na tribinama) Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


24

NUMERIČKI MODEL (I)

MODEL POŽARA 



Izgaranje - kompleksan toplinsko-kemijski proces koji je predmetom mnogobrojnih istraživačkih studija, te kao takav nije direktno primjenjiv za ovaj nivo inženjerske i praktične primjene numeričkog modeliranja. U predmetnim simulacijama nije korišten izvorni model izgaranja krute gorive tvari, već je požar tretiran kao izvor mase produkata izgaranja i topline (tzv. “volumetrički model”), te je opisan predefiniranim funkcijama promjene spomenutih varijabli u vremenu. Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


25

NUMERIČKI MODEL (II)

MODEL POŽARA 



Odabranim modelom se cjelokupni volumen dimnih plinova, koji su fizikalno gledajući mješavina raznolikoh plinova i krutih čestica, tretira kao jedan plin, odnosno, nije predviđena kalkulacija koncentracije pojedinih produkata izgaranja, kao što su na primjer CO, CO2, SO2, H2O i NOx. Naime, koncentracije navedenih plinova u ukupnoj masi dimnih plinova nemaju značajniji upliv na dinamiku širenja dima! U ovom slučaju predpostavljeno je da je požar uzrokovan zapaljenjem gorive materije sjedećih mjesta, koja je u ovom slučaju odabrana kao polypropylene (C3H6).



26

NUMERIČKI MODEL (III)

MODEL POŽARA 

Količina oslobođene topline u vremenu Q(t), definirana je sljedećim algebarskim izrazima:

Qt   α  t 2

rast intenziteta požara od t=0 do t=tg  maksimalni intenzitet požara (od t=tg do t=td)



Qt   Qmax

Q (W) – količina oslobođene topline t (s) – vrijeme tg (s) – vrijeme potrebno za razvoj požara do maksimalnog intenziteta td (s) – vrijeme maksimalnog intenziteta požara  (W/s2) – koeficijent rasta požara Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


27

NUMERIČKI MODEL (IV) 

Problem odabira koeficijenta rasta požara  (W/s2): Klasifikacija koeficijenata razvoja požara 



Odabrana vrijednost  za “brzi” požar, tj. 0,045 W/s2!



28

NUMERIČKI MODEL (V)

MODEL POŽARA (HRR dijagram) Q = 5 MW ODABRANO!



29

NUMERIČKI MODEL (VI)

MODEL TURBULENCIJE - Numeričkim modeliranjem predviđen je turbulentni tok fluida. - Primijenjen modificirani k- model turbulencije. - Uključen je utjecaj uzgonskih i gravitacijskih sila.



30

ULAZNI PODACI (I) 



Broj lokacija požara: 2 (parket + tribina) Lokacija 1 i 2 (jači požar) - broj sjedalica zahvaćenih požarom: - ogrjevna vrijednost jedne sjedalice: - ogrjevna vrijednost 16 sjedalica: - koeficijent rasta požara: - maksimalna količina oslobođene topline: - vrijeme potrebno za razvoj požara do maksimalnog intenziteta:


min. 16 105 MJ 1,68 GJ 0,045 kW/s2 5,0 MW 330 sekundi


31

ULAZNI PODACI (II)

Požarni scenarij 





Od 0 do 90 sekundi: otvori zatvoreni, rad sustava ventilacije/klimatizacije Od 90 do 330 sekundi: otvori otvoreni, zaustavljen rad sustava ventilacije/klimatizacije Od 330 sekundi nadalje: dolazak vatrogasaca na mjesto požara  gašenje požara



32

ULAZNI PODACI (III)

Volumen opožarenog područja Lokacija 1 i 2 V = 8,125 m3  U oba slučaja radi se o 4 sjedeća mjesta raspoređenih u 4 reda. 

Godišnje doba simulacije Ljeto Vanjska projektna temperatura Tv = 32°C Unutrašnja projektna temperatura Tu = 26°C Utjecaj vjetra Utjecaj vjetra zanemaren.



33

ULAZNI PODACI (IV)

Raspored kupola za odimljavanje Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


34

Rezultati teren – dim (30 s)

Iso-konture dima s masenim udjelom 0,1% CO2 (pogled prema osi x) Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


35




36




37




38




39

Rezultati teren – dim pod stropom dvorane (330 s)



40

Rezultati tribina – dim (60 s)



41




42




43




44

Rezultati tribina – dim pod stropom dvorane (330 s)



45

Rezultati – temperturno polje ispod krova (330 s)

Procjena maksimalne temperature pod stropom (cca 110°C) Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


46

ZAKLJUČCI 



 







Dokazano da dim ne ugrožava gledatelje u promatranom vremenu do početka gašenja (0 - 330 s). Time se opravdava eliminacija dimnih zavjesa/pregrada propisanih prema TRVB S 125. Dokazano da nisu ugroženi evakuacijski putovi. Preliminarni raspored i broj krovnih kupola je korigiran i smanjen za 10 kupola (ukupno 34 kom.) → eliminirane sve vanjske obodne kupole. Veličina i položaj kanala za dovod svježeg zraka na razini borilišta ispravno je dimenzioniran (2x16,2 m2). Otvori za dovod svježeg zraka na razini ophoda +9.25 m (ukupno 83,68 m2), ne utječu negativno na proces odimljavanja iako se nalaze iznad polovice konstruktivne visine objekta! Utvrđene su max. temperature i temperaturna polja u neposrednoj blizini metalne konstrukcije krovišta (max. 110°C)  ulazni parametar za proračun čvrstoće krovne konstrukcije u uvjetima požara Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


47

VALIDCIJA NUMERIČKOG MODELA – POŽARNI TEST

Izotermni požarni test u sportskoj areni u Budimpešti (izvor FLUENT) Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Predavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj.


48

Seminar HKA HUZOP-PrimjenaCFD Dv Stozice

Recommend Documents