Wprowadzenie do ćwiczenia nr 2

LABORATORIUM Z MODELOWANIA POŻARÓW
Ćwiczenie nr 2
Zastosowanie programów ASET i FPETool
Opracowali: M. Konecki, N. Tuśnio
TEORIA
Program komputerowy ASET-W (ang. Available Safe Egress Time)
Program ASET-W jest wersją programów ASET i ASET-B, adaptowaną do środowiska
Windows. ASET jest akronimem pochodzącym od angielskiego Available Safe Egress Time i
oznacza dopuszczalny bezpieczny czas ewakuacji.
Program ASET opracowany został w 1982-83 roku w USA w ośrodku naukowym NIST
(National Institute of Standards and Technology) - (dawniej NBS) przez L.Y.Cooper’a
i D.W.Stroup’a. Do stworzenia modelu użyto języka FORTRAN. Program ten oblicza
dopuszczalny czas ewakuacji z pojedynczego pomieszczenia z nieszczelnościami, objętego
pożarem. Podstawą do obliczeń czasu ewakuacji jest temperatura i położenie warstwy gorącego
dymu oraz stężenie produktów spalania. Dopuszczalny czas ewakuacji określa się jako
najmniejszy czas osiągania założonych wartości krytycznych obliczanych parametrów pożaru.
W 1985 roku w Instytucie NIST została opracowana przez W.C.Walton’a kolejna wersja
programu komputerowego ASET, ASET-B, napisana w języku BASIC i przeznaczona do
wykorzystania na komputerach osobistych. Liczbę symulowanych parametrów zmniejszono do dwóch:
temperatury i położenia warstwy gorącego dymu.
Powyższy program ASET-W jest programem ASET-B (1985 r.) poszerzonym o procedurę
obliczającą wymianę ciepła przez promieniowanie między gorącą górną warstwą podsufitową a podłogą
pomieszczenia oraz procedurę wyznaczającą strumień ciepła pochodzący od płomienia.
Wymagane dane wejściowe to: udział strat ciepła, wysokość płomienia, położenie
materiału palnego nad podłogą, kryteria dotyczące zagrożenia życia i wykrycia pożaru, wysokość
pomieszczenia, powierzchnia podłogi, szybkość wydzielania ciepła.
Walidacja została przeprowadzona przez autorów prac.
Najnowsza wersja ASET-W stworzona w SGSP działa na pakiecie programistycznym
DELPHI, który umożliwia szybkie przetwarzanie danych, zapamiętywanie wyników i ich
graficzną prezentację. Program zaadaptowany został do środowiska Windows, co znacznie
ułatwiło obsługę, a sam program stał się bardziej czytelny. Symuluje warunki pożaru, proces
wypełniania dymem pojedynczego pomieszczenia.
Znaczne ułatwienie w obsłudze stanowi możliwość wybrania wejściowej charakterystyki
spalania z listy dostępnych materiałów palnych, powszechnie stosowanych jako materiały
wyposażenia wnętrz. Wprowadzone krzywe HRR bazują na rzeczywistych testach ogniowych
przeprowadzonych w USA. Otrzymane wartości parametrów pożaru mogą być przenoszone do
arkuszy kalkulacyjnych. W formie tabelarycznej otrzymywane są przebiegi czasowe: temperatury
warstwy podsufitowej, wysokość warstwy chłodnej, gęstość strumienia ciepła od płomienia,
gęstość strumienia ciepła wymienianego w układzie warstwa gorąca- podłoga. Wyniki obliczeń
można odwzorować graficznie za pomocą wykresów.
Program jako dane wyjściowe traktuje te parametry, które są istotne
z punktu widzenia prowadzenia ewakuacji osób z budynku. Dlatego też równania procedury
obliczeń odnoszą się do procesów rządzących I fazą rozwoju pożaru.
Zestaw programów komputerowych FPETool (ang. Fire Protection Engineering Tool).
Program o akronimie FPEtool oznacza narzędzie inżynierskie bezpieczeństwa
pożarowego. Stanowi zestaw sprawdzonych narzędzi badawczych w postaci procedur
obliczeniowych używanych przez specjalistów w dziedzinie pożarnictwa do oceny dynamiki
rozwoju pożaru w pomieszczeniach jak i zagrożenia bezpieczeństwa ludzi znajdujących się w
budynku. Obecnie istnieje i jest szeroko dostępnych wiele programów podobnych w swej
budowie i założeniach. Program FPEtool jednak jest jednym z najbardziej rozbudowanych
a jednocześnie łatwych w obsłudze dla użytkownika. Wyniki otrzymane dzięki niemu
są najbardziej zbliżone do otrzymanych w warunkach rzeczywistych pożarów
eksperymentalnych, przeprowadzanych w jednym lub w układzie dwóch pomieszczeń. Pozwala
również na symulację wpływu tryskacza na moc pożaru jaki i przemieszczającego się dymu w
korytarzu.
Opublikowana wersja programu 3.2 FPETool została napisana przez S. Deal’a w 1993 r.
i opublikowana przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST- USA). Za pomocą
modeli programu jest możliwa ocena możliwości przeżycia człowieka poddanego ekspozycji
zmiennych warunków pożaru w pomieszczeniu określanych temperaturą dymu i jego
toksycznością. Dokumentacja programu jest dostępna w formacie PDF.
FPEtool jest kompilacją kilku modułów obliczeniowych: SYSTEM SETUP, FIREFORM,
MAKEFIRE, FIRE SIMULATOR, CORRIDOR, 3rd ROOM.
SYSTEM SETUP jest programem standardowym. Pozwala użytkownikowi zmienić
docelowe miejsce zapisania pliku oraz katalogi źródłowe, zmieniać jednostki operacyjne oraz
kolory wyświetlanego obrazu. Używa się systemu SI (system międzynarodowy lub system
metryczny) jako domyślnego systemu jednostek.
FIREFORM to zestaw procedur zaprojektowanych w celu szybkiego rozwiązywania
zagadnień pożarowych o różnych liczbach danych wejściowych. Niżej przykładowe procedury
obliczeniowe.
Niżej podano przykładowe procedury obliczeniowe opisujące wybrane zjawiska pożarowe.
SAMOZAPŁON
MATERIAŁU
PROMIENIOWANIA CIEPLNEGO
WSKUTEK
ODDZIAŁYWANIA
STRUMIENIA
Procedury korelacji doświadczalnych określające moc pożaru (generowanej w strefie
spalania), która jest w stanie spowodować samozapłon materiału palnego.
Określana jest moc pożaru konieczna do wywołania samozapłonu niepalącego się materiału,
który nie ma bezpośredniego kontaktu z płomieniami, ani ze strumieniem ciepła konwekcyjnego.
Dane eksperymentalne zapewniają wyznaczenie korelacji między szczytową wartością szybkości
wydzielania ciepła z płonącego przedmiotu, a maksymalną odległością do drugiego, nie
spalającego się przedmiotu, który w konsekwencji ulegnie zapłonowi. W zależności od rodzaju i
wymiarów materiału otrzymuje się korelacje dla materiałów o różnej odporności na samozapłon:
1). Materiały łatwo zapalne – ulegają samozapłonowi po oddziaływaniu strumienia o gęstości
10 kW/m2 lub większego (cienkie materiały np. zasłony, papier):

Q fire  30 10
 d  0, 08 
 0,89 


gdzie:

Q fire
d
szybkość wydzielania ciepła (moc pożaru) ze strefy spalania, (kW)
odległość materiału od strefy spalania (ogniska pożaru), (m)
2). Materiały odporne na zapłon – ulegają samozapłonowi po oddziaływaniu strumienia o
gęstości 20 kW/m2 lub większego (meble z obiciem wypełnione pianką poliuretanową lub inne
materiały o znacznej masie, ale małej bezwładności cieplnej - kρcp):

 d  0,05 
Q fire  30 

 0,019 
3). Materiały trudno zapalne - ulegają zapłonowi po oddziaływaniu strumienia 40 kW/m2 lub
większego (termoutwardzalne polimery oraz inne materiały, o grubości większej niż 0.013 m,
mające znaczną bezwładność cieplną - kρcp):

 d  0,02 
Q fire  30 

 0,0092 
DANE WEJŚCIOWE
Odległość materiału palnego
Odporność materiału na zapłon
DANE WYJSCIOWE
(m)
Łatwo zapalne paliwa potrzebują strumienia 10
kW/m2, dla paliw odpornych na zapłon strumień ten
wynosi 20 kW/m2, a dla paliw trudno zapalnych 40
kW/m2

wielkość pożaru (szybkość wydzielania ciepła), który wymagany
jest do spowodowania samozapłonu materiału początkowo nie
objętego spalaniem.
Q fire
ZASTOSOWANIE KORELACJI THOMASA DO ZJAWISKA FLASHOVER
Korelacja doświadczalna pozwala obliczyć ilość mocy potrzebnej do wywołania zjawiska
rozgorzenia w pomieszczeniu.
Zależność otrzymano przy założeniu uproszczeń w bilansie energii dla gorącej warstwy w
pomieszczeniu objętym pożarem. Założono straty ciepła przez całkowitą sumę wewnętrznych
powierzchni pomieszczenia oraz wypływ energii przez otwór wentylacyjny.


Q flashover  7,8 Aroom  378 Avent H vent

equivalent
gdzie:

Q flashover
Aroom
Avent
Hvent,equivalent
szybkość wydzielania ciepła (moc pożaru) potrzebna do rozgorzenia, (kW)
suma powierzchni wewnętrznych pomieszczenia pomniejszona o powierzchnie
otworów wentylacyjnych, (m2)
powierzchnia otworu wentylacyjnego, (m2)
różnica pomiędzy położeniem najwyższego punktu otworu wentylacyjnego a
najniższym punktem otworu wentylacyjnego spośród wszystkich otworów
wentylacyjnych znajdujących się w pokoju, (m)
Wzór korelacyjny otrzymano z eksperymentów w pomieszczeniach o powierzchniach
podłogi nie przekraczających 16 m². Korelacja przewiduje również wystąpienie rozgorzenia
(flashover) w przestrzeniach niewentylowanych (pomieszczenia zamknięte). Zaistnienie
rozgorzenia jest jednak mało prawdopodobne z uwagi na szybkie zużycie tlenu co w efekcie
powoduje obniżenie jego stężenia.
DANE WEJŚCIOWE
Długość pokoju
Szerokość pokoju
Wysokość pokoju
Wysokość otworu
Szerokość otworu
(m lub ft)
(m lub ft)
(m lub ft)
Wysokość otworu wentylacyjnego, (m)
Szerokość (równoważnikowa) otworu wentylacyjnego, (m)
DANE WYJŚCIOWE

Q flashover oszacowana szybkość wydzielania ciepła, która spowoduje rozgorzenie, (kW)

Q door

Q wall
oszacowana strata energii poprzez wypływ gazów z pomieszczenia, (kW)
oszacowana strata energii w wyniku oddawania jej do ścian pomieszczenia, (kW)
MAKEFIRE jest zbiorem procedur dla dogodnego tworzenia/edytowania scenariuszy
pożaru, w których inne narzędzia modułowe mogą być zastosowane, ale także do określenia
współczynnika szybkości wydzielania ciepła w czasie pożaru.
FIRE SIMULATOR jest to procedura oparta na rozszerzonym modelu strefowym w
stosunku do użytego w programie ASET-B (uwzględnia rozgorzenie, chemię spalania, emisje
CO, straty ciepła do konstrukcji i inne), symulująca efekty rozwoju pożaru w pojedynczym
pomieszczeniu z dwoma otworami wentylacyjnymi, systemem tryskaczowym i wykrywania
dymu. Szybkość spalania w I fazie jest określona przez użytkownika. Program opisuje redukcję
tej szybkości z uwagi na ubytek tlenu w pomieszczeniu. Zakłada się punktowe źródło ognia co w
znacznym stopniu wpływa na poprawność obliczeń w przypadku, gdy wysokości kolumny
konwekcyjnej są małe.
CORRIDOR jest procedurą, która symuluje rozprzestrzenianie się dymu po suficie
korytarza z dala od źródła ognia. Jest lepszym narzędziem od FIRE SIMULATOR, gdy
pomieszczenie jest wydłużone. Najlepiej prognozuje ruch ośrodka dyspersyjnego w
pomieszczeniach długich i wąskich, w których nie występują znaczne zaburzenia przepływu
(płaski sufit). Procedura szacuje: szybkość rozprzestrzeniania się, temperaturę, grubość oraz
stężenie dymu.
3rd ROOM jest procedurą, przewidującą stopień zadymienia w pomieszczeniu oraz
obliczającą czas, po którym zagrożone jest zdrowie i życie ludzkie z uwagi na inhalację
toksykantów oraz akumulację ciepła w dymie.
Procedury obliczeniowe FIRE SIMULATOR, CORRIDOR i 3rd ROOM mogą być
używane kolejno do symulacji pożaru. Za pomocą FIRE SIMULATOR określa się pożar w
pojedynczym pomieszczeniu ze źródłem ognia oraz wypływający z niego dym. Może zostać on
użyty dalej w procedurze CORRIDOR jako dana wejściowa. Dalej, przepływ dymu określony
przez CORRIDOR może służyć do symulacji warunków panujących we wnętrzu kolejnego
pomieszczenia w procedurze 3rd ROOM.