Software pro modelování požárů: Komplexní přehled
Článek se věnuje problematice modelování požárů, které hraje klíčovou roli v posuzování požární odolnosti stavebních konstrukcí. V požárně inženýrské praxi je posuzování požární odolnosti prvků většinou založeno na zjednodušených modelech požáru, které jsou reprezentovány více či méně sofistikovanými teplotními křivkami, jako jsou např. nominální křivky nebo parametrická teplotní křivka (ČSN EN 1991-1-2). Současný pokrok v oblasti výpočetní mechaniky však umožňuje aplikovat zpřesněné (zdokonalené) přístupy modelování požáru, např. výpočtové dynamické modely kapalin a plynů, tzv. CFD modely. Tyto modely je možné propojit s numerickými modely mechanické odezvy konstrukce založených na metodě konečných prvků. Tento článek vychází z publikace (Benýšek a kol. 2018), která popisuje také příklad posouzení požární odolnosti stropní konstrukce. Cílem je poskytnout ucelený pohled na různé přístupy a nástroje používané v této oblasti, s důrazem na jejich výhody, nevýhody a vhodnost pro různé typy aplikací.
Modely požáru
Modelování požáru je klíčové pro navrhování bezpečnějších budov a konstrukcí. Různé modely požáru se liší svou složitostí a přesností, a proto je důležité vybrat ten správný model pro danou aplikaci. Základní přehled rozdělení modelů je uveden na Obr.
Nominální teplotní křivky
Základním typem modelů jsou nominální teplotní křivky. Mezi nominální teplotní křivky patří např. normová teplotní křivka, uhlovodíková teplotní křivka, křivka vnějšího požáru, křivka pomalého zahřívání aj. Tyto křivky popisují fázi plně rozvinutého požáru po flashover efektu s charakteristickým rychlým nárůstem teploty. Obecně nastává flashover efekt při zhruba 500-600 °C nebo při hustotě tepelného toku na podlaze kolem 20 kW/m2. Obvykle se používají k ověřování požární odolnosti stavebních konstrukcí, popř. při požárních experimentech ve zkušebnách. Jedná se o nejjednodušší model, který bývá ve většině případech velice konzervativní (Kučera a kol. 2009).
Zjednodušené modely požáru
Mezi zjednodušené modely požáru patří lokální požáry a parametrické teplotní křivky. Zdokonalené modely požáru mají zohledňovat vlastnosti plynů, výměny hmoty a výměnu energie (ČSN EN 1991-1-2).
Zónové modely
Zónové modely vyjadřují ideální průběh požáru v uzavřeném prostoru. Vlastní koncept zónových modelů využívá empirie, neboť je založen na fyzikálních jevech pozorovaných při skutečných požárech. Zpočátku model popisuje průběh požáru místnosti před flashoverem, který předpokládá vytvoření dvou samostatných vrstev neboli zón - tedy dvouzónový model. Po flashover efektu nastává vytvoření pouze jedné zóny (celý prostor je vyplněn kouřem).
Čtěte také: Nejlepší 3D software pro začátečníky
CFD modely (Computational Fluid Dynamics)
FDS (Fire Dynamics Simulator), program na bázi CFD, je založený na výpočetním modelu dynamiky kapalin a plynů. Řeší numericky Navier-Stokesovy rovnice, které jsou vhodné pro tepelně řízené proudění o malé rychlosti se zdůrazněním na kouř a tepelný transport od požáru. Parciální derivace rovnic zachování hmoty, hybnosti a energie jsou aproximovány jako konečné rozdíly a řešení je v závislosti na čase zlepšeno o třídimenzionální přímočarou síť.
Typy modelů požáru
Matematické modely požáru mohou být základních typů - deterministické nebo pravděpodobnostní. Deterministické modely se zaměřují na požáry jako deterministické události, tedy požár je úplně definován. Pravděpodobnostní modely mohou být tří skupin - síťové, statistické a simulační.
Deterministické modely
Tyto modely se zaměřují na modelování fyzikálních a chemických dějů při požáru. Modelování šíření požáru a jeho rozvoji není přímou součástí tohoto způsobu řešení.
Pravděpodobnostní modely
Pravděpodobnostní modely mohou být (viz Obr. tří skupin - síťové, statistické a simulační. propojením pravděpodobnostních a deterministických modelů. vstupy modelů jsou brány z pravděpodobnostních modelů, tj. deterministický model jsou zpracovány jako náhodné proměnné.
Využití softwaru pro modelování požárů
Software pro modelování požárů se používá v různých fázích návrhu a posuzování staveb, od počátečního návrhu až po hodnocení požární bezpečnosti stávajících budov. Umožňuje inženýrům a projektantům simulovat různé scénáře požáru a posoudit, jak se bude konstrukce chovat v případě požáru.
Čtěte také: Ekonomický cyklus a podpora rodin
Posuzování požární odolnosti konstrukcí
Potřeba posouzení požární odolnosti stavebních konstrukcí je nedílnou součástí problematiky požární bezpečnosti staveb. V praxi je posuzování požární odolnosti konstrukcí nejčastěji založeno na zjednodušených přístupech, které spočívají v používání hodnot požárních odolností prvků a konstrukcí povětšinou získaných za použití zjednodušených modelů požáru.
Návrh protipožárních opatření
Software pro modelování požárů umožňuje optimalizovat návrh protipožárních opatření, jako jsou sprinklerové systémy, detektory kouře a požární uzávěry. Simulací různých scénářů požáru je možné určit, jaká opatření jsou nejúčinnější pro danou budovu.
Analýza evakuace
Modelování požárů lze využít i pro analýzu evakuace budovy v případě požáru. Software umožňuje simulovat pohyb osob v budově a identifikovat kritická místa, kde by mohlo dojít k ucpání nebo zpoždění evakuace.
Ilustrativní příklad: Kancelářský prostor
Pro predikci vývoje teplot ve vybraném požárním úseku bylo zvoleno několik modelů požáru. Řešený prostor je uvažován jako kancelářský prostor o vnitřních půdorysných rozměrech 5,5 m × 9,8 m, světlá výška je 3,0 m. Prostor má pět oken, každé o rozměru 1,5 m × 2,0 m. Kancelářský prostor je navržen jako samostatný požární úsek, viz Obr. 1. Stěny požárního úseku jsou z pórobetonového zdiva, tl. 500 mm (podélné stěny) a 200 mm (příčné stěny). Strop je z železobetonového deskového panelu o tl. 0,28 m (Benýšek a kol. Křivka rychlosti uvolňování tepla, která byla využita jako vstup pro výpočty v programech CFAST a FDS, byla stanovena pomocí vlastní aplikace FMC (Benýšek, Štefan 2017), implementovaný postup je popsán v ČSN EN 1991-1-2, Příloha E.4. Křivka HRR je zobrazena na Obr. 2. Požár, resp. Obrázek 3: Řešený požární úsek s osazenými termočlánky vytvořený v programu Pyrosim (Benýšek a kol. Jednotlivé termočlánky pak následně popisují nerovnoměrné rozdělení teploty v prostoru v závislosti na čase. Toto je odchylné od ideologie nominálních teplotních křivek, které určují teplotu po prostoru rovnoměrnou a nerovnoměrnou pouze v čase. Teplotní pole z termočlánků (TCs) pak názorně zobrazuje, jak velký teplotní rozdíl se v prostoru nachází. Minimální teploty se pochybují ve fázi plně rozvinutého požáru cca kolem 150 °C, maximální teploty ve fázi plně rozvinutého požáru cca kolem 1 000 °C. Toto je zapříčiněno zhledněním dynamiky proudění tekutin.
Srovnání zónového a CFD modelu
Obrázek 4: Průběh zónového modelu požáru v 10. minutě - program CFAST (Benýšek a kol. 2018)Obrázek 5: Průběh CFD modelu požáru v 10. minutě - program FDS (Benýšek a kol. Pro porovnání mezi průběhy požáru z programu CFAST a FDS jsou zvoleny stejné časy, a to 10. Obrázek 6: Průběh zónového modelu požáru v 50. minutě - program CFAST (Benýšek a kol. 2018)Obrázek 7: Průběh CFD modelu požáru v 50. minutě - program FDS (Benýšek a kol. Výstupem ze zónového modelu požáru je teplota v horní a dolní vrstvě - zónový model je rozdělen na dvě výpočetní kontrolní buňky (v případě flashover efektu - prostorového vzplanutí - má zónový model pouze jednu kontrolní buňku). Oproti tomu má CFD model vlastní pravoúhlou výpočetní síť, řešený prostor je rozdělen v pravidelném rastru na 32 400 kontrolních buněk. Výstupem z tohoto modelu je průběh teplot z termočlánků. S ohledem na porovnání s normovou a parametrickou teplotní křivkou (křivky popisují prostorově rovnoměrnou teplotu) jsou teploty z 1520 termočlánků TCs zprůměrovány, přičemž do výsledného grafu teplot jsou zakresleny zároveň všechny tyto křivky, viz Obr. 8. Dále pro podrobnější porovnání teplot je vykreslena minimální, maximální a střední teplota poslední horní vrstvy termočlánků. Obrázek 8: Výsledné porovnání teplot z jednotlivých modelů požáru (Benýšek a kol.
Čtěte také: Modelování interiéru svépomocí
Dostupné softwarové nástroje
Na trhu je k dispozici široká škála softwarových nástrojů pro modelování požárů, které se liší svými vlastnostmi, funkcemi a cenou. Mezi nejznámější patří:
- FDS (Fire Dynamics Simulator): CFD model vyvinutý NIST (National Institute of Standards and Technology)
- CFAST (Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport): Zónový model vyvinutý NIST
- PyroSim: Grafické uživatelské rozhraní pro FDS
- RFEM 6: Program pro statické výpočty, který lze využít i pro posouzení požární odolnosti ocelových konstrukcí. Geometrické modelování, vždy rychlé a přesné, je snadné a pohodlné díky interním (CAD) nástrojům. Lze tak snadno modelovat jakýkoli typ konstrukce, od nejjednodušších (nosníkové prvky) až po nejsložitější geometrie se skořepinovými prvky; BIM s jinými programy je vynikající. Úpravy jsou velmi snadné, a pokud provedete změny nebo úpravy v posouzení, jejich implementace trvá jen chviličku. Software obsahuje několik návrhových norem, je flexibilní, přehledný, obsahuje všechny typy statických výpočtů, statické i dynamické, přesné a spolehlivé. Podle mého názoru vyniká v nelinearitách při zadávání dat i při nelineárním výpočtu; kvalita sítě je vynikající. Postprocesing je komplexní a výsledky jsou vždy jasné, spolehlivé a snadno kontrolovatelné a interpretovatelné. Vždy mi ponechává volnost při výběru posouzení a při každém z nich mi pomáhá. Když se porovnám s kolegy, kteří používají jiný software, je upřímně řečeno nemožné najít lepší. Jednoduše dělá věci, které jiný software nedělá, a dělá je jednoduchým způsobem. Podpora ze strany italského týmu je vždy na nejvyšší úrovni a v průběhu let se jen zlepšuje.
- Ocel požár: Program pro posouzení požární odolnosti ocelových prvků dle EN 1993-1-2 (Eurokód 3). Program může pracovat samostatně nebo jako dimenzační modul v programech Fin 3D a Fin 2D. Při tomto využití programu je celá konstrukce vymodelována v programech FIN, kde jsou též spočteny deformace a vnitřní síly. Následně jsou tyto údaje předány do programu Ocel požár. Tam se provede posouzení prvku včetně případných úprav průřezů či dalších parametrů. Výsledky a upravená data se předají zpět do programů FIN. Program vznikal ve spolupráci s týmem odborníků z ČVUT v Praze. Odborným garantem je prof. ing.
Faktory ovlivňující modelování požáru
Přesnost modelování požáru závisí na mnoha faktorech, včetně kvality vstupních dat, zvoleného modelu a zkušeností uživatele. Mezi nejdůležitější faktory patří:
- Geometrie budovy: Přesné modelování geometrie budovy je klíčové pro správné simulování šíření tepla a kouře.
- Materiálové vlastnosti: Vlastnosti materiálů, jako je tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita a hustota, mají významný vliv na průběh požáru.
- Ventilace: Ventilace budovy ovlivňuje šíření kouře a tepla, a proto je důležité ji správně modelovat.
- Požární zatížení: Požární zatížení, tj. množství hořlavých materiálů v budově, určuje intenzitu požáru.
Závěr
Software pro modelování požárů je nepostradatelným nástrojem pro inženýry a projektanty, kteří se zabývají požární bezpečností staveb. Umožňuje jim simulovat různé scénáře požáru, posoudit požární odolnost konstrukcí, optimalizovat návrh protipožárních opatření a analyzovat evakuaci budovy. Volba modelu požáru značně ovlivňuje rozložení teplot v prostoru. Při použití nominálních teplotních křivek je teplota rovnoměrně rozdělená v prostoru a zároveň nominální teplotní křivky nezohledňují fázi chladnutí, materiálové vlastnosti, parametr větrání, druh požáru aj. Parametrické teplotní křivky lépe popisují průběh teplot, ale jejich použití je značně omezené. Zónové a CFD modely popisují nejlépe průběh požáru a rozložení teplot. Pro tyto modely je ale nutné znát hodně vstupních údajů, které ale není vždy jednoduché získat. Zónový model má velkou výhodu v rychlosti výpočtu simulace požáru, oproti CFD modelům. Použitím normové teplotní křivky jsou získávány značně konzervativní výsledky. Požární odolnost, která je stanovená podle nominálních teplotních křivek, má vždy svůj limit. Na základě těchto simulací je možné doporučit, že teplotní křivky nejsou vhodným modelem pro složitější a větší požární úseky. Lepší volbou jsou CFD modely, avšak ty jsou náročné na délku výpočtu simulace a znalosti uživatele. Vhodnější volbou by mohly být zónové modely, ale ty mají jistá omezení.
Používání softwaru pro modelování požárů vyžaduje odborné znalosti a zkušenosti. Je důležité vybrat správný model pro danou aplikaci a správně interpretovat výsledky simulací. S rostoucím výkonem výpočetní techniky a rozvojem modelovacích technik se stává modelování požárů stále přesnější a dostupnější, a proto bude hrát v budoucnu ještě důležitější roli v zajišťování požární bezpečnosti staveb.
Tento článek byl vytvořen v rámci finanční podpory Studentské grantové soutěže ČVUT, č. projektu SGS19/034/OHK1/1T/11.
tags: #software #pro #modelování #požárů