Wybrane aspekty projektowania wentylacji pożarowej tuneli drogowych

Dynamika rozwoju pożaru w tunelu jest podobna do typowego pożaru w pomieszczeniach zamkniętych, choć istnieją pewne znaczące różnice pomiędzy nimi [2]. W pożarach pomieszczeń ciepło i dym są utrzymywane wewnątrz pomieszczenia, a czynnikiem ograniczającym staje się dostępność tlenu. Wielkość otworów określa, jak duży pożar może się rozwinąć, zanim przejdzie w fazę kontrolowaną wentylacją, tzn. dostępem tlenu [17].

W pożarach rozwijających się w pomieszczeniach niespalone paliwo może się palić na zewnątrz pomieszczenia, mieszając się z powietrzem. Natomiast gdy paliwo jest otoczone przez mieszaninę gazów o zawartości tlenu mniejszej niż ok. 13%, ogień zostanie zgaszony.

Z kolei w tunelach świeże powietrze jest zazwyczaj transportowane do paliwa wzdłuż osi obiektu, niedaleko poziomu podłogi, co podtrzymuje proces spalania. W przeciwieństwie do pożarów rozwijających się w pomieszczeniach, procesy spalania odbywają się w tunelu i w przypadku pożarów kontrolowanych przez wentylację może to doprowadzić do prawie zerowej zawartości tlenu za pożarem wzdłuż kierunku strumienia powietrza.

W tunelach drogowych gorący dym początkowo unosi się i zderza ze stropem, a następnie rozpływa wzdłuż biegu tunelu i stopniowo opada w kierunku podłoża ze względu na schłodzenie. Odległości wstecznego cofnięcia warstwy dymu w kierunku przeciwnym do ruchu powietrza (tzw. backlayering) oraz jego względnie dobrej stratyfikacji w kierunku ruchu są silnie uzależnione od warunków wentylacji [2, 18].

W ostatnich latach zaczęła się rozwijać kompleksowa teoria dynamiki pożarów w tunelach. Dla pożaru w tunelu o osiowym przepływie powietrza można obliczyć parametry takie, jak wzrost temperatury, długość płomienia, odległość tzw. backlayeringu czy widoczność oraz stężenie gazów pożarowych [2, 18, 19].

W tunelach o wentylacji naturalnej lub wzdłużnej mechanicznej przepływ powietrza zachodzi wzdłuż obiektu ze względu na statyczne oraz dynamiczne różnice ciśnień. Systemy wentylacji poprzecznej mają wloty i wyciągi powietrza rozmieszczone wzdłuż tunelu.

Znaczna część istniejącej teorii, z niewielkimi zmianami lub ograniczeniami, ma również zastosowanie do tuneli z wentylacją poprzeczną.

W miarę rozwoju pożaru siły wyporu unoszą gorące gazy do góry i rozprzestrzeniają je wzdłuż sufitu, w zależności od nachylenia tunelu i początkowych warunków wentylacji.

Przy odpowiedniej prędkości przepływu powietrza mieszanina dymu oraz gorącego i zimnego powietrza ostatecznie zostaje równomiernie rozprowadzona w przekroju tunelu za pożarem.

Pierwsze badania naukowe związane z pożarem w tunelu zostały wykonane przez Thomasa [20], który badał efekt backlayeringu zachodzący, gdy gorący dym przemieszcza się wzdłuż sufitu wstecznie w stosunku do przepływu powietrza. Wprowadził on również pojęcie krytycznej prędkości powietrza potrzebnego do zapobieżenia zjawisku backlayeringu.

Krytyczna prędkość powietrza zwiększa się wraz z szybkością uwalniania ciepła (HRR – Heat Release Rate) w kierunku stałej wartości, tj. ok. 3 m/s dla większości tuneli [18, 19].

Pożar wywołuje w tunelu pewien opór przepływu, który wzrasta wraz z wielkością pożaru, zwany efektem dławiącym. Dlatego chociaż prędkość 3 m/s wystarczy do znacznego ograniczenia zjawiska backlayeringu, wydajność wentylatorów musi zapewniać przekroczenie tej wartości wraz ze zwiększeniem rozmiarów pożaru [21].

Główne obciążenie ogniowe w tunelach stanowią pojazdy.

Typowy samochód ma szybkość uwalniania ciepła odpowiadającą pożarowi szybkiemu i szczytową wartość HRR na poziomie ok. 5 MW.

Autobusy charakteryzują się wartością HRR ok. 30 MW, natomiast samochody ciężarowe 20–200 MW [22, 23].

Pożary kilku samochodów ciężarowych mogą się rozwinąć w katastrofalny pożar tunelu kontrolowany wentylacją i HRR na poziomie 300–700 MW [26].

Szybkość uwalniania ciepła z pożaru kontrolowanego wentylacją wzrasta wraz ze zwiększaniem się pola przekroju poprzecznego, podczas gdy dla pożarów kontrolowanych paliwem (nieograniczona ilość tlenu) HRR rośnie wraz ze zmniejszeniem powierzchni przekroju poprzecznego. Dzieje się tak z powodu dużej wymiany ciepła z otaczającymi ścianami tunelu [2, 18].

Zazwyczaj wartość 2/3 HRR ulega wymianie poprzez konwekcję, a 1/3 HRR poprzez promieniowanie.

W przypadku aktywacji urządzeń gaśniczych HRR przez konwekcję spada o ok. 50%.

System wentylacji jest narażony głównie na konwekcyjną wartość HRR, podczas gdy ściany tunelu na konwekcyjną i radiacyjną część HRR [2].

Modelowanie pożarów w obiektach budowlanych, a w szczególności pożarów w tunelach drogowych, stanowi ogromne wyzwanie inżynierskie z uwagi na kilka podstawowych mechanizmów, np. spalanie i rozprzestrzenianie się ognia, które są w takich warunkach słabo poznane. Ponadto konieczne jest przyjęcie wielu założeń, takich jak np. rozmiar siatki, model promieniowania, model turbulencji itp.

W przypadku pojedynczych porównań między symulacjami komputerowymi i danymi eksperymentalnymi podawane są często dobre wyniki zbieżności. Dynamika rozwoju pożaru przedstawiona przez Ingasona [18] daje stosunkowo dobre wyniki w porównaniu z bardziej zaawansowanymi modelami i zapewnia wystarczającą dokładność na potrzeby analizy ryzyka [24].

Ważnym źródłem informacji są również badania przebiegu rzeczywistych pożarów. Kim i inni [25] przeanalizowali 69 pożarów w tunelach i przyporządkowali je do czterech kategorii:

• pożary pojedynczych pojazdów;

• pożary pojedynczych pojazdów, które rozprzestrzeniły się na inne pojazdy;

• pożary w wyniku kolizji ograniczone do pojazdów biorących udział w kolizji oraz

• pożary w wyniku kolizji, które rozprzestrzeniły się na inne pojazdy.

Obecnie prowadzone badania w zakresie pożarów w tunelach dotyczą wielu różnorodnych aspektów, np. skuteczności detekcji, wentylacji, systemów gaśniczych, oddziaływania na konstrukcję, zachowań ludzi i ewakuacji czy zastosowania SUG na mgłę wodną. Badania eksperymentalne prowadzone są w różnej skali, a numeryczne z wykorzystaniem mniej lub bardziej złożonych modeli numerycznych.

Przegląd stanu wiedzy

Podjęcie badań wentylacji pożarowej tuneli wynika z faktu, że głównym powodem występowania ofiar śmiertelnych i poszkodowanych podczas pożaru w tunelu jest szybkie rozprzestrzenianie się dymu.

Jako przykład posłużyć może liczba 39 ofiar podczas pożaru tunelu pod Mont Blanc wynikająca z niepoprawnego działania systemu wentylacyjnego. Tunel ulega podczas pożaru bardzo szybkiemu zadymieniu, uniemożliwiającemu ewakuację.

Przykładowe szybkości zadymienia podczas pożaru tunelu pod Mont Blanc były następujące:

• zadymienie na odcinku 900 m tunelu po 3 min,

• zadymienie na odcinku 1200 m tunelu po 7 min,

• zadymienie na odcinku 2600 m tunelu po 23 min,

• zadymienie na odcinku 4800 m tunelu po 40 min.

W celu ograniczenia zagrożenia wynikającego z zadymienia stosuje się systemy wentylacji pożarowej tuneli. Systemy te powinny także zmniejszać ryzyko wystąpienia rozgorzenia podczas pożaru.

Rozwiązania ewakuacyjne oraz dobór technicznych systemów zabezpieczeń, w tym wentylacji pożarowej, powinny umożliwiać ewakuację ludzi do bezpiecznego miejsca w czasie nie dłuższym niż 6 min [2]. W tym czasie zapewniona powinna zostać odpowiednia widoczność oraz brak narażenia na oddziaływanie temperatury wyższej niż 60°C. Ponadto wentylacja pożarowa powinna ułatwiać prowadzenie akcji ratowniczo-gaśniczej oraz zapobiegać rozprzestrzenianiu się pożaru na inne pojazdy.

Wyróżnia się dwa główne rodzaje wentylacji:

• poprzeczną, która usuwa dym przez wyciąg w górnej części tunelu, a nawiew w dolnej

• i wzdłużną, która powoduje przepływ powietrza wzdłuż tunelu, pomiędzy jego wlotem a wylotem i który jest wymuszony pracą wentylatorów umieszczonych wewnątrz tunelu.

Problematyka wentylacji pożarowej tuneli podejmowana jest przez międzynarodowe ośrodki naukowe.

W 1965 r. w Szwajcarii w opuszczonym tunelu kolejowym odbyła się pierwsza seria testów pożarowych. Dwanaście testów przeprowadzonych w specjalnie przygotowanych misach z rozlanym paliwem miało pomóc określić wpływ różnych systemów wentylacji (naturalnej, poprzecznej oraz podłużnej) na rozwój pożaru i ruch dymu. Podczas testów przeprowadzono również badania urządzeń tryskaczowych. Testy te były pierwszymi właściwymi badaniami, których wyniki dostarczyły rzetelnych informacji o postaci i przebiegu pożaru w tunelu.

Na przestrzeni kolejnych trzydziestu lat przeprowadzono w tunelach kilka testów pożarowych. Na uwagę zasługują dwie szczególne serie badań pożarów przeprowadzone w pierwszej połowie lat dziewięćdziesiątych: europejski projekt o nazwie Eureka 499 „Firetun” oraz amerykański Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program.

Projekt Eureka 499 „Firetun” prowadzono w latach 1990–1992. Jego celem było dokładne zbadanie pożaru i dymu w tunelach, co umożliwiłoby późniejszą ocenę działania służb ratowniczych. Badania koordynowane przez specjalistów z Austrii, Finlandii, Francji, Niemiec, Norwegii, Wielkiej Brytanii, Włoch, Szwajcarii i Szwecji składały się z 21 testów pożarowych, większość z nich przeprowadzono w opuszczonym tunelu Hammerfest na północy Norwegii [2]. Źródłem pożarów były samochody osobowe, ciężarowe, tabory kolejowe oraz skład metra.

Na podstawie przeprowadzonych testów pożarowych ustalono, że maksymalna temperatura pod stropem tunelu w zależności od rodzaju palącego się pojazdu oscylowała pomiędzy 200 a 1100°C.

Podczas pożaru o mocy 15–20 MW pociągu oraz autobusu temperatura wahała się w 40. minucie pomiaru między 800 a 900°C.

W przypadku samochodów temperaturę mierzono na powierzchni dachu oraz drzwi. W 70.–100. minucie od rozpoczęcia testu wynosiła ona odpowiednio 400–600°C dla pojazdów o karoserii stalowej i 900°C dla karoserii aluminiowej. Odnotowano również, że moc pożaru gwałtownie wzrastała w pierwszych 10–15 minutach od jego wybuchu.

Amerykański projekt Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program (MTFVTP), finansowany przez Federalny Zarząd Autostrad Stanów Zjednoczonych we współpracy z władzami stanu Massachusetts, kosztował ok. 40 mln dolarów i był częścią projektu budowy tunelu Boston Central Artery.

W ramach tego projektu badania doświadczalne składały się z 98 testów pożarowych, które przeprowadzono w opuszczonym tunelu samochodowym w Wirginii w latach 1993–95. Dotyczyły one wpływu różnych rodzajów wentylacji na oddymianie tuneli przy pożarach o zmiennej mocy 10, 20, 50 i 100 MW. Źródło pożaru stanowiły zbiorniki wypełnione paliwem.

Na podstawie badań ustalono, że wentylatory o dużej mocy wykorzystywane przy wentylacji wzdłużnej działają efektywnie, gdy moc pożaru nie przekracza 100 MW, dlatego ich montaż wymaga wykonania wcześniejszych analiz konstrukcji oraz zabezpieczeń przeciwpożarowych tunelu.

Badania pozwoliły również wykazać, że systemy wentylacji poprzecznej stosowanej samodzielnie z zachowaniem równowagi pomiędzy dostarczanym czystym a odprowadzanym zanieczyszczonym powietrzem mają ograniczone możliwości, tzn. są skuteczne, gdy moc pożaru jest nie większa niż 20 MW.

Skuteczne w oddymianiu odcinków tunelu okazały się wentylatory wzdłużne, które mogą usuwać duże ilości dymu, zapobiegając tym samym jego przemieszczaniu. Dodatkowo badania dowiodły, że czas, który upływa od rozpoczęcia pierwszej fazy rozwoju pożaru do załączenia systemu wentylacyjnego, powinien zostać zminimalizowany do dwóch minut, potem bowiem dym unoszący się z pożaru rozprzestrzenia się na odległość 480–570 m.

Wzrost temperatury oraz ilości dymu spowodowany jest najczęściej naturalnym, niewymuszonym przepływem powietrza, który zależy od rozmiaru powstałego pożaru oraz geometrii tunelu.

Ograniczeniem w zastosowaniu wentylacji wzdłużnej w tunelach długich jest fakt, że skuteczne oddymianie wymaga w takich wypadkach zastosowania dużych prędkości przepływu powietrza, co może powodować znaczne utrudnienia podczas ewakuacji ludzi. Wynika to z możliwości mieszania się strumieni powietrza świeżego i dymu. Ponadto znaczny napór na ludzi powietrza wtłaczanego do tunelu utrudnia im sprawne poruszanie się.

Możliwe jest również rozprzestrzenianie pożaru na sąsiednie pojazdy wraz z przepływem gorących produktów spalania (zjawisko obserwowane podczas pożaru w tunelu pod Mont Blanc).

Prowadzenie akcji gaśniczej możliwe jest tylko od strony nawiewnej, co ma istotny wpływ na taktykę działań gaśniczych, często determinowaną warunkami dojazdu do tunelu.

Ponieważ niewłaściwe sterowanie wentylacją sprzyja rozprzestrzenianiu się dymu i utrudnia warunki ewakuacji, wymagane jest opracowanie scenariuszy uwzględniających sposób pracy wentylacji w zależności od rozwoju pożaru. Scenariusz taki, bazując na numerycznej analizie rozwoju pożaru z wykorzystaniem metod CFD, powinien obejmować sekwencję uruchamiania wentylatorów, ich moc, dodatkowe punkty wyciągu, oddziaływanie stałych urządzeń gaśniczych na proces wentylacji, oddziaływanie warunków atmosferycznych, w koniecznych sytuacjach wykonanie schronów ewakuacyjnych zabezpieczonych wentylacją nadciśnieniową.

Analiza dotychczasowych prac w zakresie wentylacji wzdłużnej tuneli umożliwiła doprecyzowanie problemów projektowych związanych ze stosowaniem wentylacji strumieniowej. Do właściwego zaprojektowania wentylacji pożarowej w tunelach drogowych niezbędne jest określenie:

• warunków brzegowych stosowania wentylacji strumieniowej z uwzględnieniem geometrii tunelu, możliwości dojazdu do tunelu, długości dojść ewakuacyjnych, dopuszczalnej prędkości przepływającego powietrza,

• spodziewanego przebiegu pożaru (scenariusza pożarowego) w zakresie mocy pożaru, szybkości tworzenia dymu i toksycznych produktów spalania,

• wpływu uruchomienia systemów oddymiania na przebieg i rozprzestrzenianie się pożaru,

• interakcji systemów oddymiania ze stałymi urządzeniami gaśniczymi, przede wszystkim SUG na mgłę wodną, w tym potencjału ograniczania mocy pożaru i na tej podstawie doboru rodzaju wentylacji,

• możliwości tworzenia układów mieszanych wentylacji strumieniowej i punktów wyciągowych wentylacji poprzecznej,

• rozwoju metod walidacji wentylacji na etapie projektowania oraz metodyki prowadzenia prób odbiorowych.

Rozwiązania techniczne wentylacji w tunelach drogowych

Systemy wentylacyjne stosowane w tunelach drogowych mają za zadanie przede wszystkim [12]:

• zapewnić cyrkulację powietrza, by nie zostały przekroczone dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń zagrażające przebywającym w tunelu użytkownikom dróg,

• w przypadku pożaru odprowadzać dym i gorące gazy pożarowe w celu umożliwienia ewakuacji ludzi oraz ułatwienia dostępu ekipom gaśniczo-ratowniczym.

Wentylacja tuneli drogowych może być realizowana w sposób naturalny (grawitacyjny) lub mechaniczny. Wybór systemu wentylacji zależy od wielu czynników, które powinny być uwzględnione w fazie projektowania. Najważniejszymi z nich są [12]:

• trasa tunelu, jego długość, przekrój poprzeczny i podłużny,

• warunki klimatyczne i topograficzne, charakterystyka ruchu pojazdów, natężenie, rodzaj pojazdów oraz kierunek ruchu,

• możliwość zapewnienia odpowiedniej przestrzeni montażowej wewnątrz tunelu, poza skrajnią jezdni, dla usytuowania urządzeń wentylacyjnych.

W przypadku gdy wentylacja naturalna nie jest w stanie zapewnić dopływu niezbędnej ilości świeżego powietrza, w celu obniżenia stężenia zanieczyszczeń oraz odprowadzenia dymu i gorących gazów pożarowych stosowana jest jedna z odmian wentylacji mechanicznej (wzdłużna, poprzeczna lub półpoprzeczna).

Każdy system wentylacji pożarowej w tunelu drogowym zbudowany jest z wielu elementów, do których zaliczyć można: wentylatory, klapy, silniki i jednostki kontrolne. Ponadto w tunelach mieszczą się sterownie, szyby wentylacyjne, elektryczne stacje rozdzielcze. Na rysunku przedstawiono przekrój tunelu TAI HAI z rozmieszczeniem poszczególnych elementów składowych takiego systemu.

Pierwsze wentylatory, które zastosowano w tunelach, wykorzystywały pracę siły odśrodkowej. W ciągu minionych 40 lat, wraz z budową coraz dłuższych i nowocześniejszych tuneli, wzrosło zastosowanie w nich systemów wentylacyjnych. Dlatego do oddymiania tuneli zaczęto używać wentylatorów osiowych instalowanych jako wentylatory strumieniowe [12].

W systemach wentylacji w tunelach wyróżnia się dwa podstawowe typy wentylatorów: osiowe i promieniowe. Typ zastosowanego wentylatora określany jest na podstawie wymagań dla przepływu powietrza i wartości ciśnienia oraz dostępnej przestrzeni.

Dobór odpowiednich wentylatorów oddymiających umożliwia zaprojektowanie sprawnego systemu wentylacji pożarowej w tunelu. Ważna jest odporność cieplna wentylatora, a także przystosowanie systemu zasilania energetycznego do pracy w wysokiej temperaturze. Wentylator powinien spełniać następujące wymagania [12]:

• strumień objętości powietrza obliczany jest przy uwzględnieniu maksymalnej temperatury pracy,

• połączenie przewodów z wentylatorem powinno zawierać elementy kompensujące, co wynika z konieczności zabezpieczenia wentylatora przed niszczącym wpływem rozszerzalności materiału,

• wentylator powinien mieć potwierdzoną badaniami rzeczywistą odporność na temperaturę w określonym czasie,

• odłączenie zasilania energii elektrycznej budowli nie może spowodować wyłączenia wentylatora,

• wentylator zewnętrzny powinien być zabezpieczony przed wpływem warunków atmosferycznych.

Większość wentylatorów stosowanych w tunelach napędzanych jest przez silniki elektryczne. Wybór odpowiedniego silnika oparty jest na niezbędnej mocy i wydajności potrzebnej do działania wentylatora.

W systemach wentylacji tunelowej stosuje się dwa typy klap: odcinające i dymowe. Klapy powinny być tak skonstruowane, by wytrzymały maksymalny wzrost ciśnienia oraz temperatury.

Systemy wentylacji pożarowej w tunelach mogą być kontrolowane ręcznie, automatycznie, zdalnie i miejscowo. Na etapie projektowania konieczne jest podjęcie decyzji, czy niezbędna będzie stała obecność operatora do kontroli takiego systemu.

Wymagania NFPA

Według wymagań amerykańskiego standardu NFPA 502 [13] systemy wentylacji pożarowej w tunelach drogowych oraz procedury ich sterowania i działania powinny zapewniać przystosowanie istniejącej wentylacji bytowej do usuwania dymu i gorących produktów spalania powstających w trakcie pożaru, a także kontroli ich przepływu.

Obowiązek stosowania systemów wentylacji pożarowej według standardu NFPA 502 dotyczy tuneli drogowych o długości powyżej 240 m. Nadrzędnym celem wentylacji pożarowej w tunelach drogowych jest zatem zapewnienie ewakuacji ludzi i mienia (pojazdów), jak również ułatwienie prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych przez straż pożarną.

Wentylacja pożarowa w tunelu drogowym powinna zapewniać sterowanie kierunkiem przepływu dymu i gorących gazów pożarowych w dwóch wariantach konstrukcyjnych tuneli, w tym:

• dla tuneli z ruchem dwukierunkowym (ludzie mogą się znajdować po obydwu stronach pożaru) powinien zostać zapewniony brak możliwości mieszania się dymu pod stropem z czystym powietrzem poniżej warstwy dymu, a także maksymalne ograniczenie szybkości przepływu powietrza w osi tunelu i tym samym optymalne wyciąganie dymu przez otwory zabudowane w stropie tunelu lub górnej części ścian;

• dla tuneli z ruchem jednokierunkowym (ludzie mogą się znajdować z jednej strony pożaru) powinno się stosować wentylację wzdłużną i tym samym zapewnić większą szybkość przepływu powietrza od tzw. wartości krytycznej, tj. szybkości, przy której występuje zjawisko backlayeringu, oraz nie dopuścić do rozrywania warstwy dymu poprzez wyłączenie w pierwszej fazie rozwoju pożaru wentylatorów znajdujących się najbliżej jego źródła. Istotne z tego punktu widzenia jest wysterowanie zasad uruchamiania wentylatorów w zależności od lokalizacji źródła pożaru. Przy systemach wentylacji poprzecznej należy do maksimum zwiększyć wydajność wyciągu dymu w strefie objętej pożarem oraz zredukować do minimum ilość zewnętrznego powietrza doprowadzanego do tunelu przez system wentylacji poprzecznej.

Systemy wentylacji pożarowej w tunelach drogowych powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, by kontrola przepływu dymu i gorących produktów spalania zapewniała, że:

• strumień czystego powietrza będzie dostarczany w kierunku osób ewakuujących się z tunelu,

• odpowiednia prędkość przepływu powietrza przy wentylacji wzdłużnej będzie przeciwdziałać przepływowi powietrza w kierunku osób ewakuujących się z tunelu.

W pierwszym przypadku należy spełnić dwa dodatkowe kryteria, w szczególności odpowiednią temperaturę powietrza oraz prędkość przepływu powietrza w czasie pożaru.

Odnosząc się do krytycznej temperatury powietrza, należy uznać, że jej wartość przyznawana jest uznaniowo, z uwagi na różnice w jej odczuwaniu przez ludzi o różnym wieku, płci czy też stanie zdrowia.

Badania przeprowadzone w dużej skali [2] pokazują, że przy braku toksycznych gazów kryterium ograniczającym możliwość przeżycia jest temperatura poniżej 60°C. Drugim istotnym kryterium jest prędkość przepływu powietrza w tunelu. Nie może ona być zbyt duża, ponieważ znacznie utrudni poruszanie się ludzi w trakcie ewakuacji. W standardzie NFPA 502 przyjęto również, że wartością graniczną, powyżej której ewakuacja ludzi będzie bardzo utrudniona, jest prędkość równa 11 m/s. Z drugiej strony prędkość przepływu powietrza nie powinna być również zbyt mała z uwagi na zagrożenie przepływu dymu w kierunku ewakuujących się z tunelu osób.

Jednym z bardzo istotnych parametrów, niezbędnych do właściwego zaprojektowania wentylacji pożarowej w tunelach drogowych, jest wspomniana szybkość wydzielania ciepła (HRR), która wpływa na dynamikę rozwoju pożaru i decyduje o tym, jak duży będzie pożar w przestrzeni ograniczonej.

Typowym scenariuszem w tunelu drogowym będzie pożar jednego lub kilku pojazdów albo ich części, na przykład opon czy przestrzeni silnika. W tabeli przedstawiono przykłady wartości HRR dla różnych pożarów pojazdów.

Krytyczną prędkość przepływu powietrza w tunelu amerykański standard NFPA 502 [13] zaleca wyliczać z następujących wzorów empirycznych:

gdzie:

V_C – prędkość krytyczna, m/s;
k₁ – współczynnik bezwymiarowy 0,606;
k₂ – współczynnik nachylenia tunelu;
g – przyspieszenie ziemskie, m/s²;
H – wysokość tunelu, m;
Q – moc pożaru, kW;
ρ – gęstość powietrza, kg/m³;
c_p – ciepło właściwe powietrza, kJ/(kg K);
A – powierzchnia przekroju tunelu, m²;
T_f – temperatura gazów pożarowych, K;
T – temperatura otoczenia, K.

Wentylatory oddymiające oraz związane z nimi urządzenia narażone w czasie pożaru na oddziaływanie gorących produktów spalania powinny zapewniać bezawaryjną pracę w temperaturze 250°C przez co najmniej godzinę. Odporność tych urządzeń na wyższe temperatury powinna zostać zapewniona, jeżeli taka potrzeba wynika z obliczeń projektowych.

Wentylatory, które w warunkach pożaru mogą być narażone na jego bezpośrednie oddziaływanie, np. wentylatory strumieniowe, powinny być pomijane w obliczeniach projektowych.

Wentylatory stosowane w tunelach drogowych do usuwania dymu i ciepła z pożaru powinny uzyskiwać zakładane parametry projektowe w ciągu 180 s od ich uruchomienia.

Punkty usuwania dymu w tunelach drogowych powinny być usytuowane w wystarczającej odległości od punktów pobierania świeżego powietrza lub zabezpieczone w inny sposób, tak aby uniknąć zasysania oraz recyrkulacji zanieczyszczonego powietrza.

Wszystkie ruchome i inne wrażliwe na temperaturę elementy klap należy projektować w taki sposób, by zapewniały niezawodną pracę.

Siłowniki i łożyska klap i innych urządzeń towarzyszących wentylacji pożarowej powinny być izolowane od strumienia gorących gazów pożarowych. Wymaganie to nie dotyczy jednak specjalnych rodzajów łożysk odpornych na działanie wysokich temperatur.

Literatura

1.  Beard A.N., Carvel R., Handbook of tunnel fire safety, 2011.
2.  Ingason H., Li Y.Z., Tunnel fire dynamics, Springer-Verlag New York Inc., 2014.
3.  Duckworth I.J., Fires in vehicular tunnels, 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium 2008, Wallace.
4. Miclea P.C., Chow W.K., Shen-Wen C., Junmei L., Kashef A.H., Kang K., International Tunnel Fire-Safety Design Practices, ASHRAE Journal, August 2007.
5.  Sin Kwa Guian, The Design of Tunnel Ventilation System for a Long Vehicular Tunnel, Land Transport Authority, Singapore.
6. Sztarbała G., Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych, „Polski Instalator” nr 5/2007.
7. Both K., Present-day design fire scenarios and comparison with test results and real fires: structures and equipment, 1st International Symposium „Safe & Reliable Tunnels”, 2004.
8. Carvel R., The history and future of fire tests, „Tunnels and Tunneling International”, 2002.
9. Hoj N., Hazards in tunnels. Structural integrity, 1st International Symposium „Safe & Reliable Tunnels”, 2004.
10.  Ingason H., Recent achievements regarding measuring of time-heat and time-temperature development in tunnels, 1st Int. Symposium „Safe & Reliable Tunnels”, 2004.
11.  Kumar S., Recent achievements in modelling the transport of smoke and toxic gases in tunnel fires, 1st International Symposium „Safe & Reliable Tunnels”, 2004.
12. Żuk M., Systemy wentylacji pożarowej w budowlach inżynieryjnych na przykładzie tuneli komunikacyjnych, praca magisterska, SGSP, 2006.
13. NFPA 502 Standard for road tunnels, bridges and other limited access highways, National Fire Protection Association, 2011.
14. NFPA 204 Usuwanie dymu i ciepła, National Fire Protection Association, 2012.
15.  NFPA 92 Systemy ochrony przed zadymieniem, National Fire Protection Association, 2012.
16.  Barbato L. et al., Fire safety investigation for road tunnel ventilation systems – an overview, „Tunneling and Underground Space Technology” Vol. 43, 2014.
17. Karlsson B., Quintiere J., Enclosure Fire Dynamics, CRC Press, 1999.
18.  Ingason H., Li Y.Z., The maximum ceiling gas temperature in a large tunnel fire, „Fire Safety Journal” Vol. 46, No. 4/2011.
19.  Ingason H., Year. Magic Numbers in Tunnel Fire Safety, [in:] Ingason L.A. ed., 3rd International Symposium on Tunnel Safety and Security, Stockholm 2008.
20. Thomas P.H., The movement of buoyant fluid against a stream and the venting of underground fires, „Fire Research Notes” 351/1958.
21. Vaitkevicius A., Colella F., Carvel R., Rediscovering the Throttling Effect, [in:] Ingason H., Lönnermark A. (eds), Proceedings from the Sixth International Symposium on Tunnel Safety and Security (ISTSS 2014), Marseille 2014.
22.  Ingason, H., Lönnermark, A., Heat Release Rates in Tunnel Fires: A Summary, [in:] „The Handbook of Tunnel Fire Safety”, 2nd edition (Beard A., Carvel R., eds), ICE Publishing, London 2012.
23.  Durable and Reliable Tunnel Structures – The reports (CD-Rom), CUR Gouda, The Netherlands, 2004.
24.  Gehandler J., Eymann L., Regeffe M., Limit-based fire hazard model for evaluating tunnel life safety, „Fire Technol” Vol. 50, No. 4, http://dx.doi.org/10.1007/s10694-014-0406-5.
25.  Kim H.K., Lönnermark A., Ingason H., Effective fire fighting operations in road tunnels, Borås, Sweden, 2010.
26.  Ingason H., Fire Development in Catastrophic Tunnel Fires (CTF), International Symposium on Catastrophic Tunnel Fires (CTF), Borås, Sweden, 20–21 November 2003.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!