Tetőtűz tűzterjedése Készítette: Szilágyi Csaba 2007.05.01. A számítógépeken futó matematikai tűzmodellek a tűzesetek modellezésére szolgálnak, amely tulajdonképpen az esetek számítógépes elemzése. A hagyományos eljárásokban több tényező elemzésekor is nehézségekbe ütközhetünk. Az áramlások, a különböző gázok koncentrációjának vizsgálata, de sokszor a kialakult hőmérséklet meghatározása is okozhat ilyen problémákat. A modell lehetőséget ad hogy az eddig meg nem vizsgált szempontokat is figyelembe vegyük. Szeretném leszögezni, hogy a számítógép csak a bevitt adatokkal képes dolgozni, így az eredmény a felhasználó felelőssége. Az elemzéshez a NIST által kifejlesztett Fire Dynamics Simulator (FDS) szoftvert használtam. 1.A vizsgálat tárgya A vizsgálat során két épület tetőszerkezete közötti tűzátterjedést vizsgáltam. Az ábrákon bal oldalon lévő épület tetőhéjjalása a napjainkban elterjedőben lévő éghető anyagú, a mellette az ábrákon jobb oldalon álló épület tetőhéjjalása pedig betoncserép. Mindkét épület fedélszerkezete faanyagú. Mivel az éghető anyagú tetőhéjjalásoknak több fajtája létezik különböző fizikai, fizikai-kémiai paraméterrel, ezért a modellt egyszerűsített formában készítettem el. Mivel több fajtánál is a teljes tetőt lefedő fa borításra rözítik a héjjalást, ezért csak tisztán a fa (fenyő) anyagú borítást vizsgáltam héjjalásként. Az épületek homlokzatai között 4m a távolság a két tető éghető anyagai között pedig 3m. Az épületek 10mX10m-es alapterületűek. Az egymással szemközti homlokzatok 10m hosszúságban teljes fedésben vannak. Az épületeken az egymással szemközti homlokzaton egymással szemközt egy-egy ablak van, szintén fa-anyagú ablakkeretekkel. 2. A modell 2.1. A modell alapjai A tűzmodell melyet felhasználtam egy CFD (Computational Fluid Dynamics) elvű tűz modell, a NIST Fire Dynamics Simulator (FDS) szoftvere és az ehhez a programhoz készült szintén a NIST Smokeview megjelenítő szoftver. A modell matematikai eredményei alapján a Smokeview egy háromdimenziós ábrát hoz létre, mely az előre meghatározott időlépcsőnek megfelelően kép kockákon szemlélteti a különböző megjeleníteni kívánt eseményeket, értékeket. Ilyenek lehetnek többek között, a tűz, a füst terjedése, a hőmérsékletek, a különböző gázok koncentrációja, az áramlási sebességek, irányok és az égési sebesség. Az ábrák alján szerepel az időpont másodpercben, a jobb oldalán az érték, és annak skálája, amelyet megjelenít az ábra. A vizsgálatban szereplő ábrák ezen megjelenítő program által készültek. A szereplő ábrákon természetesen csak a lényegesebb időpontokat, fordulópontokat jelenítettem meg. A CFD modell lényege, hogy a modellezett tér, épület derékszögű kis méretű számítási egységekre, cellákra bontható legyen. A számítások során a modell az egyes cellák fizikai jellemzőit külön-külön számítja ki, a cellák geometriai középpontjára. Az áramlásokat a cellák falán keresztül vizsgálja, úgy hogy figyelembe veszi a cella belsejében jelen levő forrást, vagy nyelőt. Az ismételt számításokat akár több tízezerszer végzi el, mire a végeredmény megszületik. A modell a sűrűséggel, a sebességgel, a hőmérséklettel, a
nyomással és a különböző anyagok koncentrációjával számol. A főbb matematikai egyenletek a tömeg áram egyenlet, Newton második törvénye és a termodinamika első főtétele. A modell működését tekintve három részre bontható a hidrodinamikai, az égési, és a hősugárzási modellre. A hidrodinamikai modell a Navier-Stokes egyenletre alapul. Az anyagok égésének kevert, illetve direkt égési szimulációjához szükség van az anyagok hőfelszabadulási sebességére, vagy párolgáshőjére, a gyulladási hőmérsékletükre, sűrűségükre, és az égéshőjükre. A hősugárzási modellben a teljes hullámhossz tartomány 6 sávban kerül számításra, majd a sávok eredményeit összegezve kapjuk meg a beeső sugárzás mennyiségét. A cellába érkező teljes hőmennyiséget pedig, a hővezetéssel és hősugárzással szállított hőmennyiség összege adja. 2.2. A modell kiindulási adatai Az FDS számításaihoz szükség van a számítási tér, az épületek geometriájára, a falak, a fedélszerkezet, a tetőhéjjalás termodinamikai tulajdonságaira, illetve a szellőzés paramétereire. 2.2.1. Felbontás Ezek az egységek képezik a számítási cellákat, amelyeknek középpontjaira a számítógép elvégzi a szükséges számításokat. A modellben 25cmX25cmX25cm-es cella felbontást használtam. 2.2.2. Szellőzés A szellőzés meghatározóan befolyásolhatja a tűz terjedését. A modellben az épületek nyitott térben szabadban vannak. A szél sebessége 5m/s, irányát tekintve baloldalról a tűz terjedés szempontjából kedvezőtlenebb irányból fúj. 2.2.3. Anyagok A modellben szereplő anyagok tulajdonságai: Fenyő[3]: Gyulladási hőmérséklet 320.0 (C) Párolgás hő 500. (kj/kg) Sűrűség 450. (kg/m3 ) Tégla[3]: Sűrűség:1600.(kg/m3) Vastagság:10 (cm) Betoncserép[3]: Sűrűség:2300 (kg/m3) falvastagság :0.01 (m)
Az épületek méretei: Megnevezés Anyag Baloldali épület fal Tégla szerkezete Baloldali épület Fenyő tetőszerkezete Jobboldali épület Tégla falszerkezete Jobboldali épület Fenyő+Betoncserép tetőszerkezete [1.számú táblázat] Méret 10m hosszú 10 m mély 3m magas 11.25 m széles 10.5 m mély 3m magas 10 m széles 10 m mély 3 m magas 11.25 m széles 10.5 m mély 3.5 m magas 3. VIZSGÁLAT 3.1. A tűz átterjedése az egyik tetőről a másikra az éghetőanyagú tetőhéjjalással ellátott épületek esetében nyílván könnyebben megy végbe, mint a hagyományos tetők esetében. A tűz terjedésének feltétele, hogy a nem égő tetőszerkezet valamely éghető anyaga elérje a gyulladásához szükséges hőmérsékletet. A vizsgált esetben a tetőt cserép borítás fedi, amely védi a hősugárzástól az alatta lévő fa anyagokat. A tető szarufáinak alsó végződése viszont jobban ki van téve a hősugárzásnak. A vizsgálat kérdése: A tető szarufáinak alsó végződését jelképező fa szerkezet felmelegedhete a gyulladási hőmérsékletére? 3.1.1. Gyújtóforrás A modellben a gyújtóforrás kétféle lehet egy adott hőmérsékletű felület, illetve egy adott hőfelszabadulási sebességgel égő gázláng. A vizsgálat során nem a tetőn magán való tűzterjedés elemzése volt a cél, ezért a gyújtóforrást úgy választottam meg, hogy már egy nagyobb felületen kialakult tüzet vizsgáljak. A gyújtóforrás ezért a jobboldali épület tetőszerkezetén a vizsgált épület felé eső oldalán közép magasságban egy 8m hosszú, 25 cm széles felületű 3000 KW/m2 hőfelszabadulási sebességgel égő gázláng (1.ábra).
3.1.2. A tűz terjedése (1.ábra) A gyújtóforrásról a tűz gyorsan terjed a tető teljes felületére. A tűz a tetőn nyílván gyorsabban terjed felfele, mint lefelé, de a 14 s-ban már eléri a tetőgerincet. A lángok a 29.7 s-ban már a tető jobb oldalának az alsó részét is elérik. Az átterjedés a 30s-ban következik be, és a 48 sban meggyullad a vizsgált épület ablak nyílásában lévő fa anyag is. A 90 s-ban a vizsgált épület tetejének fa szerkezetei teljes felületükön lángba borulnak. 1.ábra a tűz terjedése
A tűz terjedés során megfigyelhető, hogy a lángok először az ablak feletti szarufák végeit jelképező fa felületen jelennek meg. A továbbiakban ezért ezt a területet vizsgáltam. A felületre hő, hősugárzással és hőátadással érkezhet. A két módon érkező hőmennyiséget összesítve beeső hőfluxusként szerepeltetem. A beeső hőfluxus értéke a kérdéses területen a 13s-ban 3.29 KW/m2. A cserép felületére magasabb 8 KW/m2 a beeső hőfluxus, azonban a cserép fizikai tulajdonságai miatt a felmelegedése jóval kisebb mértékű, ezáltal védi az alatta lévő fa szerkezetet. A 14s-ban a beeső hőfluxus értéke 4.24 KW/m 2. A 18s-ban már jelentősen növekszik az elemzett jellemző ekkor eléri a 14.6 KW/m2 t, és a 29.7s-ban eléri a 40KW/m2 t. 2.ábra az ablak feletti fa szerkezetre beeső hőfluxus.
A kérdéses felület felmelegedése az anyag fizikai tulajdonságainak és a beeső hősugárzásnak a függvénye. A továbbiakban magának az anyagnak a hőmérsékletét vizsgáltam. A 13s-ban a terület hőmérséklete 46.7 Celsius fok. A 29s-ban 247 Celsius fok, és a 31s-ban átlépi a 320 Celsius fokos gyulladási hőmérsékletet. A 31s-ban 350 Celsius fok lett a felület hőmérséklete. 3.ábra az ablak feletti fa szerkezet hőmérséklete 4. Összefoglalás A vizsgálat eredményeképpen megállapítható, hogy a kérdéses esetben az adott feltételek megléte mellett a tűz az egymástól 4 méterre álló épületek között viszonylag gyorsan átterjed. A vizsgálat bemenő adatai egy általános esetet feltételeztek, nem túl erős, de kedvezőtlen széliránnyal, ezért az eseti pontos modellezés ettől eltérő eredményekkel szolgálhat. Mindenesetre elgondolkodtató az eredmény mely szerint az éghető tetőburkolatról a tűz a modellezett időben (a gyújtóforrás már kialakult tűznek megfelelő teljesítményű volt) 30s-nál átterjedt a szomszédos cserép fedésű épület fa tetőszerkezetére, és a 48s-ban pedig meggyújtotta az égő épület felé eső ablak fa anyagát.
Irodalom jegyzék: [1]: Kevin McGrattan, Editor. Fire Dynamics Simulator (Version 4) Technical Reference Guide. Nist Technology Administration U.S. Department Of Commerce 2006. [2]: Kevin McGrattan, Glenn Forney Editor. Fire Dynamics Simulator (Version 4) User Guide. Nist Technology Administration U.S. Department Of Commerce 2006. [3]: Database4.data file of NIST Fire Dynamics Simulator. U.S. Department Of Commerce 2006. [4]: Dr. Beda László. Tűzmodellezés, Tűzkockázat Elemzés. Szent István Egyetem Ybl Miklós Műszaki Főiskolai Kar. Budapest 1999. [5]: Dr. Beda László. Égés- És Oltás- Elmélet I.. Szent István Egyetem Ybl Miklós Műszaki Főiskolai Kar. Budapest 2001.