Seminar HKA i HUZOP – Primjena CFD Dvorana Stožice

1

Zaštita od požara i sloboda u arhitektonskom projektiranju

PRIMJENA CFD MODELIRANJA PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA PORAZVOJA POŽŽARA I DIMA S CILJEM SMANJENJA ARA I DIMA S CILJEM SMANJENJA

ARHITEKTONSKIH OGRANIARHITEKTONSKIH OGRANIČČENJA I UENJA I UŠŠTEDA NA PROJEKTUTEDA NA PROJEKTU ©©

dr.sc. Miodrag Drakulić, dipl.ing.stroj.

SEMINAR HRVATSKE KOMORE ARHITEKATAi

Hrvatske udruge za zaštitu od požara (HUZOP)

SPORTSKA DVORANA STOSPORTSKA DVORANA STOŽŽICE U LJUBLJANIICE U LJUBLJANI

Seminar ZAŠTITA OD POŽARA I SLOBODA U ARH. PROJEKTIRANJU 30. lipanj 2010.PRIMJENA CFD MODELIRANJA RAZVOJA POŽARA I DIMA Građevinski fakultetPredavač: dr. sc. Miodrag Drakulić, dipl. ing. stroj. Zagreb 2

UVOD UVOD -- ODVOĐENJE DIMA I TOPLINE IZ GRAĐEVINA ODVOĐENJE DIMA I TOPLINE IZ GRAĐEVINA

Spomenuta problematika spada u uže područje zaštite od požara građevina, koje se definira kao ““odvođenje odvođenje dima i topline iz građevinadima i topline iz građevina””..

Osnovni ciljevi sustava za odvođenje dima i topline, u daljnjoj prezentaciji sustava za odimljavanjesustava 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!).


PODJELA SUSTAVA ZA ODIMLJAVANJEPODJELA SUSTAVA ZA ODIMLJAVANJE

Temeljna podjela sustava za odimljavanje:

a) sustavi

prirodnog odimljavanjaprirodnog 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 (mehaniprisilnog (mehaniččkog) odimljavanjakog) odimljavanja

(Gradijent tlaka, tj. pokretačka sila potrebna za odimljavanje ostvarena je radom mehaničke ventilacije).

Prvi izbor projektanta je sustav prirodnog odimljavanja!


REFERENCE AUTORA (I)REFERENCE AUTORA (I)

Djelatnici tvrtke CTP Projekt

sa svojim suradnicima su u prethodnom razdoblju obavili numerička modeliranja procesa prirodnog odimljavanjaprirodnog 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 mehanisustava mehaniččkog odimljavanjakog odimljavanja

sportske arene u

Budimpešti (12.500 mjesta).

[1]

Izrađeno za vrijeme rada u Brodarskom institutu u Zagrebu.


REFERENCE AUTORA (II)REFERENCE AUTORA (II)

Pogled na krov Arene Zagreb


REFERENCE AUTORA (III)REFERENCE AUTORA (III)

Pogled na krov Spaladium Arene u Splitu u izgradnji


REFERENTNI OBJEKTIREFERENTNI OBJEKTI

Olimpijska dvorana u Torinu (13.000 sjedala), XX Zimska Olimpijada 2006.


SPORTSKI PARK STOSPORTSKI PARK STOŽŽICE ICE (Autori: Sadar Vuga Arhitekti, Ljubljana)


SPORTSKI PARK STOSPORTSKI PARK STOŽŽICEICE


SPORTSKA DVORANA STOSPORTSKA DVORANA STOŽŽICE ICE

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

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.


SPORTSKA DVORANA STOSPORTSKA DVORANA STOŽŽICE ICE

Uzdužni presjek


SPORTSKA DVORANA STOSPORTSKA DVORANA STOŽŽICE ICE ––

Foto galerija 1Foto galerija 1








CILJ STUDIJE ODIMLJAVANJA DVORANE STOCILJ STUDIJE ODIMLJAVANJA DVORANE STOŽŽICEICE

Provjera i analiza učinkovitosti rada predviđenog sustava prirodnog sustava prirodnog odimljavanjaodimljavanja

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 poljatemperaturnog 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 kupolakrovnih kupola

namijenjenih za odvod dima

Provjera potrebe ugradnje

dimnih zavjesadimnih zavjesa, planiranih temeljem

primjene smjernice TRVB S 125 -

„Rauch und Wärmeabzugsanlagen“.

Prijedlog optimalnog smještaja i dimenzioniranje dozračnih

kanala/otvora za dovod svjekanala/otvora za dovod svježžeg zrakaeg zraka.


METODOLOGIJA (I)METODOLOGIJA (I)

Dimenzioniranje sustava za odimljavanje je moguće obaviti koristeći 2 bitno različita metodološka pristupa:

a) ““preskriptivnipreskriptivni””

pristupPodrazumjeva 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 basedperformance based””

pristup Treba dokazati unaprijed zadano svojstvo, odnosno postavljeni zahtjev

primjereno velikim i kompleksnim objektima i razvojno-

istraživačkom radu.


METODOLOGIJA (II)METODOLOGIJA (II)

Provjera i analiza učinkovitosti rada sustava prirodnog odimljavanja dvorane STOŽICE obavit će se ““performance performance basedbased””

postupkom.

Općenito gledajući “performance based”

pristup u projektiranju sustava prirodnog odimljavanja zahtjeva korištenje različitih numeričkih alata koji se mogu grupirati kao:a) Zonski modeliZonski 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 CFD modeli ((eng. Computational Fluid Dynamics), tzv. modeli računalne dinamike fluida.


METODOLOGIJA (III)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.).


METODOLOGIJA (IV)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 (!)


33--D MODEL DVORANED MODEL DVORANE

Pogled na krov sa preliminarnom pozicijom kupola za odimljavanje



Pogled na unutrašnjost dvorane



Pogled na unutrašnjost dvorane,s dovodima svježeg zrak na razini terena


NumeriNumeriččka mreka mrežža dvorane a dvorane ––

izometrijaizometrija

Numerička mreža modela -

požarni scenarij 1 (požar na terenu)


NumeriNumeriččka mreka mrežža dvorane a dvorane ––

izometrijaizometrija

Numerička mreža modela -

požarni scenarij 2 (požar na tribinama)


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.


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).


NUMERIČKI MODEL (III)

MODEL POŽARA

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

rast intenziteta požara od t=0 do t=tg

2tαtQ

maksimalni intenzitet požara (od t=tg

do t=td

)

maxQtQ

Q (W) –

količina oslobođene toplinet (s) –

vrijemetg

(s) –

vrijeme potrebno za razvoj požara do maksimalnog intenzitetatd

(s) –

vrijeme maksimalnog intenziteta požara

(W/s2) –

koeficijent rasta požara


NUMERIČKI MODEL (IV)

Problem odabira koeficijenta rasta požara

(W/s2):

Odabrana vrijednost

za “brzi”

požar, tj. 0,045 W/s2!

Klasifikacija koeficijenata razvoja požara


NUMERIČKI MODEL (V)

Q = 5

MWODABRANO!

MODEL POŽARA (HRR dijagram)


NUMERIČKI MODEL (VI)

MODEL TURBULENCIJE

-

Numeričkim modeliranjem predviđen je turbulentni tok fluida.-

Primijenjen modificirani k- model turbulencije.-

Uključen je utjecaj uzgonskih i gravitacijskih sila.


ULAZNI PODACI (I)

Broj lokacija požara: 2 (parket + tribina)

Lokacija 1 i 2 (jači požar)-

broj sjedalica zahvaćenih požarom:

min. 16-

ogrjevna vrijednost jedne sjedalice:

105 MJ-

ogrjevna vrijednost 16 sjedalica:

1,68

GJ-

koeficijent rasta požara:

0,045

kW/s2-

maksimalna količina oslobođene topline:

5,0

MW-

vrijeme potrebno za razvoj požara domaksimalnog

intenziteta:

330

sekundi


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


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 simulacijeLjetoVanjska

projektna temperatura Tv

= 32°CUnutrašnja

projektna temperatura Tu

= 26°C

Utjecaj

vjetraUtjecaj

vjetra zanemaren.


ULAZNI PODACI (IV)

Raspored kupola za odimljavanje


Rezultati teren Rezultati teren ––

dim dim (30 s)

Iso-konture dima s masenim udjelom 0,1% CO2(pogled prema osi x)



dim dim (90 s)



dim dim (180 s)



dim dim (270 s)



dim dim (330 s)



dim pod stropom dvorane dim pod stropom dvorane (330 s)


Rezultati tribina Rezultati tribina ––

dim dim (60 s)



dim dim (120 s)



dim dim (210 s)



dim dim (330 s)



dim pod stropom dvorane dim pod stropom dvorane (330 s)


Rezultati Rezultati ––

temperturno polje ispod krova temperturno polje ispod krova (330 s)

Procjena maksimalne temperature pod stropom(cca 110°C)


Z A K L J U Z A K L J U ČČ

C IC I

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


VALIDCIJA NUMERIČKOG MODELA –

POŽARNI TEST

Izotermni požarni test u sportskoj areni u Budimpešti (izvor FLUENT)

Documents

Seminar HKA i HUZOP – Primjena CFD Dvorana Stožice