Požární zkoušky v tunelu Valík, praktická aplikace některých poznatků

Požární zkoušky v tunelu Valík, praktická aplikace některých poznatků Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje Výškovická 40, 700 44 Ostrava-Zábřeh E-mail: [email protected] Homepage: www.jiripokorny.net Ing. Jan Hora Ministerstvo vnitra - generální ředitelství Hasičského záchranného sboru České republiky Kloknerova 26, 148 01, Praha 414 E-mail: [email protected]

Klíčová slova Požární zkouška, tunel, teplota, kouř, ventilace, modely požáru

Abstrakt V květnu 2006 pokročily stavební práce na silničním tunelu Valík umístěném na dálnici D5 v České republice do své finální fáze. Před uvedením tunelu do provozu byly v tunelu provedeny velkorozměrové požární zkoušky. Cílem experimentu bylo zejména ověřit funkčnost instalovaných požárně bezpečnostních zařízení, získat nové poznatky související s rozvojem požáru ve stavbách tohoto charakteru a současně další praktické zkušenosti pro provádění obdobných zkoušek. V příspěvku je stručně popsána příprava zkoušek, jejich průběh a následně jsou prezentovány některé z dosažených výsledků. Zkušenosti získané zkouškami mohou přispět ke zvýšení úrovně bezpečnosti při navrhování a provozování staveb tunelů.

Úvod S rozvojem infrastruktury dopravy v České republice vznikla potřeba výstavby silničních a železničních tunelů, které jsou vhodné při stavbách v hornatých oblastech nebo v městských aglomeracích s hustou zástavbou. Rozsáhlé požáry v nedávné době, které měly velmi tragické následky co se týče počtu usmrcených a zraněných osob a dále i ve vztahu ke škodám na majetku, rozvířily diskusi o stávající a budoucí úrovni požární bezpečnosti silničních a železničních tunelů. Uvedenou problematikou se zabývá řada zahraničních organizací (např. ITA International Tunneling Association a PIARC World Road Assotiation) i národních institucí (např. Ministerstvo dopravy, Ředitelství silnic a dálnic ČR, a.s. a Tunelová sekce Silniční společnosti). Prováděním požárních zkoušek v silničních tunelech v ČR jsme se zařadili mezi státy, které se aktivně zabývají možnostmi vzniku této mimořádné události. Zjištěné výsledky mohou poukázat na nedostatky v technickém vybavení i způsobu zajištění bezpečnosti tunelu jako celku.

1

Stavební charakteristiky tunelu Valík Tunel Valík je hlavním objektem obchvatu města Plzně, který je částí dálnice D5 Praha Rozvadov. Tunel Valík je dálniční tunel se dvěmi tunelovými troubami. Každá trouba má dva jízdní pruhy šířky 3,25 m. Délka tunelu je 390 m (jižní tunelová trouba 380 m), šířka vozovky mezi obrubníky je 11,5 m. Příčný sklon dopravního pásu je jednostranný 2,5%, niveleta má podélný sklon 4%. Poloměr směrového oblouku je 2280 m. Oba tunely mají stejné prostorové parametry T 11,5. Výška průjezdného profilu nad vozovkou je 4,8 m, resp. 5,2 m (+0,15 m) v pravém jízdním pruhu. Tunel má světlou šířku 14 m a vrchol klenby je nad niveletou 8,16 m. Situování dálnice, půdorys, řez a sklon nivelety tunelu jsou znázorněny na obr. 1, 2, 3 a 4.

Obr. 1: Část dálnice D5 - obchvat města Plzně

Obr. 2: Tunel Valík - příčný řez

2

Obr. 3: Tunel Valík - sklon nivelety

Obr. 4: Tunel Valík - půdorysné schéma

3

Dynamika požáru v silničních tunelech Požáry v tunelech jsou mimo jiné charakteristické: § vysokou hodnotou okamžitého tepelného výkonu, vysokou hodnotou hustoty tepelného toku a vysokými teplotami § vyšší hodnotou okamžitého tepelného výkonu ve srovnání s obdobným požárem na volném prostranství § rychlým rozvojem požáru v čase § velkým objemem zplodin hoření a velkou rychlostí nárůstu tohoto objemu v čase § emisí tepelného záření z konstrukcí a odrazem tepelného záření § pásmem zakouření zasahujícím za portály na volné prostranství § destratifikací a zpětným nasáváním zplodin a pulsací požáru § skutečností, že ve fázi plného rozvoje požáru se požár chová jako plošný zdroj sálání Pro definování podmínek při požáru v tunelu je vhodné uvažovat normový požár. Podílu nákladních automobilů 15% na dálnicích a rychlostních komunikacích odpovídá tepelný výkon HRR = 30 - 50 MW a požární zatížení 230 - 250 kg.m-2. Zmíněné hodnoty jsou uváděny jako charakteristické pro požár nákladního automobilu s nákladem tvořeným pevnými hořlavými látkami. Ve specifickém prostoru tunelu rychlost šíření požáru není lineární. Pro prognózu šíření požáru je třeba provést odhad tepelné bilance a uvažovat pravděpodobné rozložení paliva. Důležitým faktorem je čas a to ve smyslu podílu špičkové intenzity provozu na celkové denní intenzitě, protože v tomto období se palivo v prostoru tunelu koncentruje nejrychleji. Čas hraje významnou roli i ve smyslu doby volného rozvoje požáru. Nejbližším okolím primárního požáru se rozumí střední vzdálenost, do které dosahuje plamen, charakterizovaný střední délkou plamenů (obr. 5).

Obr. 5: Chování plamene v podmínkách tunelu Proudění vzdušiny v tunelu způsobí mimo jiné odklon osy plamene z kolmého směru a prodloužení střední délky plamenů. U požáru velmi malého rozsahu, např. během indukční periody, je intenzivním prouděním plynů dosaženo snížení jeho okamžitého tepelného výkonu, příp. přerušení hoření. V případě požárů většího rozsahu vede proudění k nárůstu tepelného výkonu se současným zvýšením rychlosti šíření požáru, viz obr. 6. Na dalším zvýšení tepelného výkonu se podílí princip vzájemného sálání mezi energetickým zdrojem a konstrukcemi a odraz tepla.

4

Obr. 6: Nárůst tepelného výkonu v závislosti na rychlosti proudění Hustota tepleného toku klesá a zplodiny hoření se ochlazují se vzdáleností. Vzdálenost na které hustota tepelného toku poklesne pod kritickou hodnotu 18,5 kW.m-2 vychází pro požár v plném rozsahu o výkonu 30 - 50 MW obvykle v rozmezí 10 - 20 m. Při požáru v tunelu dochází k pulsaci plamene, která se vysvětluje tzv. Rayleighovým kritériem. Vysvětluje se někdy termoakustickou nestabilitou a má vliv na proudění plynů v zasažené tunelové troubě. Význam pulsace roste s rostoucím výkonem. Při požárech s tepelným výkonem nad 100 MW je tento jev výrazný. Jeho rozbor však lze provádět pouze pomocí modelování proudění. Pro úspěšnou evakuaci jsou zásadní podmínky proudění v tunelu v případě požáru s důrazem na proudění zplodin hoření. Lze teoreticky stanovit množství vznikajícího kouře a výškovou úroveň neutrální roviny. Nepříznivá situace může nastat při zpětném toku požárních plynů (backlayering), ke kterému může dojít, pokud je rychlost proudění vzdušiny v tunelu menší, než je rychlost kritická pro daný výkon požáru a průřez tunelu. Pro přibližný odhad platí, že kritická rychlost je obvykle nižší než 3 m.s-1. V souvislosti s chladnutím zplodin hoření dochází také se vzdáleností k poklesu kouře . Vzhledem k chemickému složení uvažovaného paliva jsou v největší míře zastoupeny CO a HCN, které patří mezi tzv. asfyxanty a HCl, který patří mezi dráždivé látky. Koncentrace uvedených plynů prudce vzrůstá v době 5 - 7 minut od iniciace požáru. Při uvažovaném tepelném výkonu požáru 50 MW koncentrace zmíněných plynů dosáhnou do 10 minut hodnot, kdy představují pro lidský organismus smrtelnou dávku.

Období příprav požárních zkoušek V průběhu roku 2006 probíhaly dokončovací práce na stavbě silničního tunelu Valík situovaného na dálnici D5. Na základě požadavku stanoveného projektovou dokumentací byla v tomto období vedena jednání mezi zainteresovanými organizacemi, jejichž cílem byla příprava zkoušek před uvedením tunelu do provozu. Vzhledem k originalitě připravovaného experimentu byla přípravná jednání poměrně složitá. Důvodem byla nejen ojedinělost takovýchto zkoušek v České republice, ale také například názorová nejednotnost na jejich očekávaný přínos. Významnou roli sehrála pochopitelná obava dodavatele stavby z hlediska případného poškození tunelového tělesa vysokými teplotami, které bylo možné při požárních zkouškách očekávat. Předmětem diskusí byl rovněž předpokládaný rozsah znečištění tunelu zkouškami, zejména pak náklady na uvedení tunelu do původního stavu.

5

Přípravná jednání vedla k určitým kompromisním závěrům, kdy došlo zejména: § § §

k doplnění přípravné fáze experimentu o prognózu teplot při připravovaných zkouškách k rozšíření zkoušek o simulaci s tzv. „studeným kouřem“ ke konsenzu simulace požáru spalováním hořlavé kapaliny (automobilový benzín)

V přípravném období byly rovněž projednány podmínky realizace taktického cvičení IZS.

Prognóza teplot pro připravovaný experiment Před realizací požárních zkoušek byla na pracovišti FBI, VŠB-TU Ostrava vytvořena pracovní skupina, jejímž cílem bylo provést prognózu maximální teploty, které může být v prostoru tunelu v průběhu experimentu dosaženo [1, 2]. Experiment bylo nutné navrhnout a zrealizovat tak, aby nedošlo k poškození stavební části tunelu (betonových ostění), která již byla dokončena. Teploty byly prognózovány s využitím požárních modelů. Prognóza teplot s využitím požárních modelů Pro simulaci požáru v tunelu Valík byly zvoleny dva základní typy požárních modelů: § §

zónové modely (ARGOS 4.11 [3], CFAST 6.0.6 [4]) modely typu pole (FDS 4.0.7 [5, 6], PYROSIM 2006.1 [7])

Z časových důvodů a obtížného programového zpracování bylo nereálné provádět simulaci se skutečnými rozměry tunelu. Geometrie tunelu byla zjednodušena na kvádr ve dvou variantách řešení: § §

zmenšený model tunelu (kvádr o rozměrech 25/11,5/8 m) model s přibližně reálnými rozměry tunelu (kvádr o rozměrech 300/11,5/8 m)

Ukázky grafických výstupů modelování jsou znázorněny na obr. 7 a 8.

Obr. 7: Grafické zpracování výsledků zónového modelu CFAST

6

Obr. 8: Grafické zpracování výsledků modelu typu pole FDS Tabulky č. 1 a 2 uvádějí přehled nejvyšších teplot stanovených simulací jednotlivými programy pro obě varianty geometrií. Tab. 1 Nejvyšší teploty stanovené simulací požáru pro zmenšený model tunelu Rychlost proudění vzduchu [m.s-1] 2 4 2 4

Nejvyšší teploty v prostoru [°C] 170 95 190 (10 m) 115 (15 m)

maximální teplota termočlánku

CFAST

0

105 / 210

maximální teplota termočlánku / průměrná teplota horké vrstvy plynů

ARGOS

2 4

150 65

průměrná teplota horké vrstvy plynů

Program PYROSIM FDS

7

Poznámka

maximální teplota termočlánku v dané vzdálenosti od zdroje

Tab. 2 Nejvyšší teploty stanovené simulací požáru pro model s přibližně reálnými rozměry tunelu Rychlost proudění Nejvyšší teploty Poznámka Program vzduchu [m.s-1] v prostoru [°C] 2 120 maximální teplota termočlánku PYROSIM 4 90 2 121 10 m za středem zdroje ve FDS výšce 8 m 4 65 Srovnání teplot prognózovaných požárními modely a teplot naměřených při reálném experimentu Na základě stanovených vstupních dat, kterými byly zejména stavební a konstrukční provedení tunelu Valík, charakteristiky připravovaného experimentu a předpokládané okolní podmínky byla modelováním stanovena střední nejvyšší teplota plynů v posuzovaném prostoru 190 °C. Uvedená teplota nezahrnuje krátkodobé skokové odchylky, které se v dílčích částech simulací vyskytovaly a dosahovaly hodnot nad 200 °C. Při realizovaném experimentu byly při 1. zkoušce naměřeny nejvyšší teploty plynů 195,4 °C a při 2. zkoušce 272,3 °C. Uvedených maximálních hodnot bylo dosaženo pouze na ojedinělých termočláncích a to po relativně krátkou dobu. Hodnoty naměřené ostatními termočlánky byly významně nižší. Výsledky modelování vedly k přesvědčení, že teploty dosažené při požárních zkouškách nezpůsobí poškození tunelového ostění. Na základě tohoto předpokladu došlo k výraznému omezení rozsahu požární izolace oproti původním úvahám zapracovaným v projektové dokumentaci stavby (z původních 100 m délky na 25 m délky).

Simulace studeným kouřem V přípravném období zkoušek byl stanoven požadavek na provedení zkoušek požáru tzv. „studeným kouřem“ [8]. Metoda zkoušek studeným kouřem se v tomto období jevila jako jedna z možností vhodná k ověřování funkčnosti požárně bezpečnostních zařízení. Její nespornou výhodou by byla velmi nízká finanční náročnost. Přehled vyvíječů studeného kouře Při zkoušce byly použity následující druhy generátorů kouře (viz tab.3). Tab. 3 Přehled druhů vyvíječů kouře Druh vyvíječe MARTIN MAGNUM PRO 2000 MARTIN MAGNUM PRO 2000 NEBULA 1500 Safex Fog star JEM TECHNOFOG F100 Performance FOG

Počet [ks]

Tabulkový výkon [m3.min-1 / m3.s-1]

Vlastnictví HZS

2

400/6,66

Kraje Vysočina

1

200/3,33

Moravskoslezského kraje

1 1 1 1

100/1,66 200/3,33 100/1,66 200/3,33

Jihomoravského kraje Moravskoslezského kraje Jihočeského kraje Plzeňského kraje

8

Generator ANTARI Z 800

1

-

Olomouckého kraje

Celkové množství produkovaného kouře činilo přibližně 20 m3.s-1. Uvedená hodnota objemového množství kouře je považována za charakteristickou hodnotu při požáru osobního vozidla. Popis zkoušek studeným kouřem V rámci experimentu byly zrealizovány čtyři zkoušky studeným kouřem. Podmínky pro jednotlivé zkoušky a výsledky pozorování jsou uvedeny v tab. 4. Tab. 4 Popis podmínek a výsledky pozorování při jednotlivých zkouškách Označení zkoušky 1. zkouška

2. zkouška

3. zkouška

4. zkouška

Průběh zkoušky

Pozorování

Přirozená ventilace s plným profilem tunelu (bez automobilů). Přirozená ventilace vzduchu, Studený kouř zaplnil v první minutě profil tunelu byl zúžen přibližně 2 3 spodní části profilu tunelu a automobily, doba zkoušky 5 min. prouděním byl veden směrem na Pražský portál. Dále se v průběhu zkoušky studený kouř nacházel převážně pouze ve spodní polovině profilu tunelu. Před zkouškou byla spuštěná Studený kouř zaplnil v úvodní fázi nucená ventilace vzduchu, profil zkoušky přibližně 1 2 spodní části profilu tunelu byl zúžen automobily, doba tunelu a prouděním byl veden směrem na zkoušky 5 min. Pražský portál. V dalším průběhu zkoušky kouř zaplnil pouze spodní 1 3 profilu tunelu. Kouř byl srážen intenzívním prouděním vzduchu. Začátek zkoušky s přirozenou Na počátku a v průběhu celé zkoušky ventilaci, nucená ventilace kouř produkovaly pouze 3 vyvíječe, které vzduchu se zpětným (reversním) byly obsluhou postupně zapínány chodem byla spuštěna v průběhu z důvodu snahy o plynulou dodávku zkoušky, profil tunelu byl zúžen kouře zhruba stejného množství. Kouř automobily, doba zkoušky 10 stoupal až ke stropní konstrukci a v některých okamžicích působil silně min. staticky.

Stručné shrnutí výsledků zkoušek se studeným kouřem Výsledky získané měřením a vizuálním pozorováním jsou stručně shrnuty v následujících odstavcích: 1.

Vzhledem k charakteru studeného kouře je jeho chování zásadně odlišné od chování kouře při skutečném požáru. Z důvodu scházejícího vztlakového efektu, je podobnost s reálnými situacemi spíše hypotetická.

2.

Při zkouškách se studeným kouřem nelze sledovat vznikající teplotní pole.

3.

Výsledky měření optické hustoty kouře při zkouškách se studeným kouřem jsou zásadně odlišné od reálných situací požárů. 9

4.

Rychlost pohybu plynů při zkouškách se studeným kouřem se blížila rychlostem pohybu kouře při následných zkouškách s hořlavou kapalinou. Důvodem je skutečnost, že ze všech efektů ovlivňujících pohyb kouře v tunelu měla zásadní význam rychlost větru (přirozené proudění) a rychlost proudění plynů vyvolaná ventilátorem. Další činitele (komínový efekt a rychlost proudění plynů vyvolaná vztlakovým efektem) dosahovali nevýznamných hodnot.

5.

Technické zajištění zkoušek kouřovými vyvíječi je značně problematické.

Závěrem lze konstatovat, že zkoušky s využitím studeného kouře, jejichž cílem je ověřit funkčnost požárně bezpečnostních zařízení, případně mají-li být podkladem pro prognózu chování kouře v případě reálných požárů, jsou pro stavby tunelů nevhodné. Fotografie ze zkoušek se studeným kouřem jsou uvedeny v příloze tohoto příspěvku (Příloha č. 1).

Požární zkoušky Zkoušky byly organizovány Ministerstvem vnitra - generálním ředitelstvím Hasičského záchranného sboru ČR. Na realizaci experimentu se dále podíleli zejména Technický ústav požární ochrany, Hasičské záchranné sbory Plzeňského a Moravskoslezského kraje, Fakulta bezpečnostního inženýrství VŠB - Technické univerzity Ostrava, Státní úřad pro jadernou bezpečnost, Pragoprojekt a.s., Ředitelství silnic a dálnic a dodavatel stavby Metrostav a.s. Velkorozměrové zkoušky byly realizovány ve dnech 22. - 26. 5. 2006 v tělese silničního tunelu (závěrečná fáze přípravného období a vlastní provedení experimentu). Experiment, při kterém byly provedeny dvě reálné zkoušky požárů, byl navržen tak, aby simuloval požár o tepelném výkonu 5 MW (170 l BA speciál odhořívajícího v otevřené nádrži o ploše 4 m²). Umístění nádrže je patrné z obr. 9 a 10. Při experimentu byly hodnoceny následující parametry požáru [8]: § § § § § § § § §

teplotní pole plynů ve svislé rovině teplotní pole na ostění tunelu teplotní pole bezprostředního okolí plamene hustota tepelného toku rychlost šíření a pokles vrstvy kouřových plynů optická hustota kouře koncentrace vybraných toxikantů rychlosti proudění vzduchu meteorologická situace na portálech tunelu

Zkušební požár probíhal při první zkoušce za nucené ventilace. Při druhé zkoušce byla nucená ventilace spuštěná až následně. Měření sledovaných veličin byla zajištěna Technickým ústavem požární ochrany, Fakultou bezpečnostního inženýrství VŠB - Technické univerzity Ostrava a Státním úřadem pro jadernou bezpečnost.

10

Obr. 9: Umístění nádrže v příčném profilu tunelu

Obr. 10: Konstrukce nádrže Podrobný popis a vyhodnocení všech sledovaných parametrů požáru přesahuje možnosti tohoto příspěvku. Pozornost bude zaměřena pouze na některé ze sledovaných oblastí. Ilustrační fotografie z realizovaného experimentu jsou uvedeny v příloze tohoto příspěvku (Příloha č. 2). Teplotní pole na ostění tunelu Pro ověření hodnot prognózovaných požárními modely bylo využito teplot naměřených v blízkosti ostění tunelu. Část tunelu byla rozdělena do pěti profilů vzájemně od sebe vzdálených 5 metrů (označení profilů -5 m, 0 m, +5 m, +10 m, +15 m, kde 0 m = místo požáru), aby bylo možné změřit termočlánky teplotu působící na ostění. V prvních třech profilech (-5 m, 0 m, +5 m) se měřila teplota ve dvou bodech, v dalších dvou profilech (+10 11

m a +15 m) v bodech třech. Teploty naměřené v průběhu zkoušek jsou znázorněny na obrázku 11. 150 140 130 -5m/6,5m -5m/4,0m 0m/6,5m 0m/4,0m +5m/6,5m +5m/4,0m +10m/8,0m +10m/6,5m +10m/4,0m +15m/8,0m +15m/6,5m +15m/4,0m

120 110 TEPLOTY [°C] .

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 9:15:00

9:20:00

9:25:00

9:30:00

9:35:00

9:40:00

ČAS

130 120 110

-5m/6,5 -5m/4,0 0m/6,5 0m/4,0 +5m/6,5 +5m/4,0

100

TEPLOTY [°C]

90 80 70

+10m/8,0 +10m/6,5 +10m/4,0 +15m/8,0 +15m/6,5 +15m/4,0

60 50 40 30 20 10 0 13:00:00

13:10:00

13:20:00

13:30:00

ČAS

Obr. 11: Vývoj teplot v blízkosti ostění tunelu Legenda: vzdálenost profilu od místa požáru [m] / výška umístění termočlánku v daném profilu od nulové úrovně terénu [m]

Hustoty tepelného toku Radiometry byly umístěny na šesti pozicích: R1 +5 m a R2 –5 m ve výšce 1,5 m. R3 0 m a R5 +2,5 m na ostění ve výšce 1,65 a R4 0m a R6 +2,5 ve výšce 2,15 m na ostění. Nejvyšší naměřené hustoty toku tepla uvádí obrázky 12 a 13.

12

Obr. 12: Průběh hustot toku tepla při první zkoušce v pozicí R6 (+ 5 m,výška 2,15 m, 2,5 m kolmo od osy JTT)

Obr. 13: Průběh hustot toku tepla při druhé zkoušce v pozicí R6 (+5 m,výška 2,15 m, 2,5 m kolmo od osy JTT) Měření transmitance a šíření horkého kouře V průběhu experimentu byly sledovány rovněž vlastnosti a šíření kouřových plynů. Pokles viditelnosti byl dokumentován měřením transmitance. Výsledky měření jsou znázorněny na obr. 14. ZKOUŠKA 1 - TRANSMITANCE UMÍSTĚNÍ: PRAŽSKÝ PORTÁL (RAŽENÝ) 100,000 90,000 80,000

T RANSMIT ANCE [%]

70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0,000 9:10:00

9:15:00

9:20:00

9:25:00

9:30:00

9:35:00

ČAS

13

9:40:00

9:45:00

9:50:00

ZKOUŠKA 2 - TRANSMITANCE UMÍSTĚNÍ: PRAŽSKÝ PORTÁL (RAŽENÝ)

100,0 90,0 80,0

TRANSMITANCE [%]

70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 12:50:00 25op..o25p.

13:00:00 25op..o25p.

13:10:00 25op..o25p.

13:20:00 25op..o25p.

13:30:00 25op..o25p.

13:40:00 25op..o25p.

13:50:00 25op..o25p.

ČAS

Obr. 14: Průběh transmitance měřené v průběhu zkoušek na pražském portálu Pohyb kouře a jeho stratifikace v prostoru byly sledovány kamerami umístěnými ve vzdálenostech +35 m a +75 m od tepelného zdroje. Z natočeného videozáznamu byly posouzeny sledované parametry. Výsledky měření jsou znázorněny na obr. 15 a 16. Požární zkouška č. 1 9 8 7

h (m)

6 5

+35 m +75 m

4 3 2 1 0 0

5

10 čas (min)

Obr. 15: Tvorba horké vrstvy kouře v průběhu požární zkoušky č. 1

14

15

Požární zkouška č.2 9 8 7

h (m)

6 5

+35 m +75 m

4 3 2 1 0 0

5

10

15

čas (min)

Obr. 16: Tvorba horké vrstvy kouře v průběhu požární zkoušky č. 2 Měření koncentrace vybraných toxikantů Na rozhraní ražené a hloubené části jižní tunelové trouby na straně Pražského portálu byl v ose tunelové trouby instalován analyzátor plynů MULTOR 610 (MAIHAK AG) a dva detektory plynů (RAE Systems Inc.). Vzorkování a měření zplodin hoření probíhalo kontinuálně po celou dobu zkoušek. Na obr. 17 jsou znázorněny průměrné hodnoty koncentrací naměřené v průběhu obou zkoušek. tunel Valík - zkouška č. 1; průběh koncentrací CO, CO2 a O2 měřený analyzátorem plynů MULTOR 610 (odběr vzorků ve výšce 8 m)

(%) 0,50

(%) 22

0,45

22

0,40 zkouška č. 1 - CO/8m 0,35

zkouška č. 1 - CO2/8m

0,30

zkouška č.1 - O2/8m

21

21

21 0,25 21 0,20 21 0,15 20

0,10

20

0,05

20

0,00 0

200

400

600

15

800

1000

(s)

(%)

tunel Valík - zkouška č. 2; průběh koncentrací CO, CO2 a O2 měřený analyzátorem plynů MULTOR 610 (odběr vzorků ve výšce 8 m)

(%) 0,30

22,0

21,5 0,25 21,0 0,20

zkouška č. 2 - CO/8m

20,5

zkouška č. 2 - CO2/8m 0,15

20,0

zkouška č.2 - O2/8m

19,5 0,10 19,0 0,05 18,5

0,00

18,0 0

200

400

600

800

1000

(s )

Obr. 17: Průběh měřených koncentrací analyzátorem Multor 610 Koncentrace hlavních toxikantů, které se nacházely ve zplodinách hoření benzínu při požárních zkouškách (CO, CO2,) ani úbytek kyslíku nepřekročil hodnoty PEL a NPK-P. Rychlosti proudění plynů Rychlosti proudění plynů byly při zkouškách měřeny na třech stanovištích a to: § § §

na Rozvadovském portále (ve výšce přibližně 6 m) uvnitř tunelu (ve výšce přibližně 2 m) na Pražském portále (ve výšce přibližně 2 m)

Měřené hodnoty se v závislosti na čase významně lišily a to jak mezi jednotlivými stanovišti, tak na konkrétních stanovištích. Jako charakteristickou hodnotu rychlosti proudění plynů lze považovat rychlost 2,5 m.s-1. Naměřené hodnoty rychlosti proudění plynů jsou zobrazeny na obr. 18.

16

7,0

6,0

RYCHLOST [m.s-1]

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0 0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

15,0

ČAS [min] Rozvadovský portál (1 zkouška)

Uvnitř tunelu (1 zkouška)

Pražský portál (1 zkouška)

Rozvadovský portál (2 zkouška)

Uvnitř tunelu (2 zkouška)

Pražský portál (2 zkouška)

Obr. 18: Rychlosti proudění plynů v průběhu experimentu při první a druhé zkoušce Po realizaci experimentu byla provedena zjednodušená teoretická početní analýza. Její pomocí byla stanovena průměrná rychlost proudění plynů za tepelným zdrojem 4 m.s-1 a vyšší. Příčinou odchylek (naměřené hodnoty ve vztahu k hodnotám stanoveným výpočtem) je především vlastní způsob měření rychlosti proudění plynů při experimentu. V popisovaném případě jde zejména o výškové umístění měřících prvků. Některé z anemometrů byly umístěny ve výšce 2 m nad podlahou, přičemž lze reálně předpokládat, že rychlost proudění plynů se s výškovou polohou v tunelové troubě podstatně mění. Vyjádření závislosti rychlosti proudění plynů na výškové poloze měřícího přístroje vyžaduje podrobnější analýzu řešené problematiky s využitím modelů zabývajících se mechanismy proudění plynů. Diference mezi naměřenými hodnotami a hodnotami stanovenými výpočtem byly způsobeny rovněž kvalitou vstupních údajů (práce s průměrnými hodnotami) a zobecněním výpočtu (posuzování průměrných hodnot v celém profilu tunelu).

Předpisová základna V následujících odstavcích budou ve stručnosti prezentovány nejvýznamnější předpisy zabývající se bezpečnosti ve stavbách silničních a železničních tunelů. Silniční tunely Základními dokumenty stanovujícími bezpečnostní požadavky pro stavby silničních tunelů jsou především: § § §

Směrnice 2004/54/EC EU o minimálních požadavcích pro tunely na transevropských trasách ČSN 73 7507 Projektování tunelů pozemních komunikací TP 98 Technologické vybavení tunelů pozemních komunikací

17

§

TP154 Provoz, správa a údržba tunelů pozemních komunikací

Železniční tunely Základními dokumenty stanovujícími bezpečnostní požadavky pro stavby železničních tunelů jsou především: § § §

§

§ §

§

§

Směrnice rady 96/48/ES o interoperabilitě transevropského vysokorychlostního železničního systému Směrnice evropského parlamentu a rady 2001/16/ES o interoperabilitě transevropského konvenčního železničního systému Směrnice evropského parlamentu a rady 2004/49/ES o bezpečnosti železnic společenství a o změně směrnice Rady 95/18/ES o vydávání licencí železničním podnikům a směrnice 2001/14/ES o přidělování kapacity železniční infrastruktury, zpoplatnění železniční infrastruktury a o vydávání osvědčení o bezpečnosti (směrnice o bezpečnosti železnic) Směrnice evropského parlamentu a rady 2004/50/ES, kterou se mění směrnice Rady 96/48/ES o interoperabilitě transevropského vysokorychlostního železničního systému a směrnice Evropského parlamentu a Rady 2001/16/ES o interoperabilitě transevropského konvenčního železničního systému UIC CODE 779-9 Bezpečnost v železničních tunelech, srpen 2003 Decision SRT 01/16-ST06 part 1 Directive 2001/16/EC on the Interoperability of the trans-European conventional rail systém and Directive 96/48/EC on the Interoperability of the trans-European high speed rail systém, Working document on EC Decision for TSI “Safety in Railway Tunnels”, 2006 TSI-SRT 01/16-ST06 part 2 Directive 2001/16/EC Interoperability of the transEuropean conventional rail systém, Directive 96/48/EC on the Interoperability of the trans-European high speed rail systém, Draft Technical Specification for Interoperability, Subsystems: “Infrastucture”, “Energy”, “Operations and traffic management”, “Control-Command and signalling”, “Rolling Stock”, Aspect: “Safety in railway tunnels”, 2006 ČSN 73 7508 Železniční tunely

Výše uvedený přehled nelze považovat za kompletní soupis předpisové základny zabývající se problematikou tunelů. Účelem prezentace předpisů v příspěvku je pouze vytvoření snadnějšího přístupu k informacím, které souvisí s bezpečnosti v tunelech.

Prezentace některých výsledků požárních zkoušek Po realizaci požárních zkoušek byly naměřené hodnoty dále zpracovány. Materiál v pracovní podobě byl rozeslán jednotlivým zainteresovaným stranám a po jejich prostudování došlo k následným jednáním. Cílem pracovních jednání byla zejména interpretace naměřených výsledků. Vzhledem ke skutečnosti, že požární zkoušky přinesly kromě nových poznatků také řadu nových otázek, byla závěrečná jednání časově i obsahově náročná [8, 9]. Komentář k hodnotám získaných měřením Měřením byla stanovena řada dílčích parametrů doprovázejících simulovaný požár osobního automobilu a provedena některá zjištění: 1.

Zjištěné hodnoty měřených parametrů: § maximální teplota plynů byla stanovena ve výšce 4 m a vzdálenosti 5 m od nádrže ve směru proudění a činila 270 ± 5 °C § maximální hustota tepelného toku byla stanovena ve výšce 1,5 m a ve vzdálenosti 5

18

m od nádrže ve směru proudění a činila 30 ± 0,3 kW.m-2 § maximální hodnota tepelného výkonu stanovená z naměřených koncentrací CO, CO2 a poklesu koncentrace O2 odpovídala zadávací hodnotě 5 MW § hlavní toxikanty, které se nacházely ve zplodinách hoření benzínu (CO, CO2, úbytek O2) byly v průběhu obou experimentů naředěny (vzhledem k velkému příčnému průřezu JTT tunelu Valík a rychlosti proudění ovzduší v tunelové troubě ) pod hodnoty PEL a NPK-P § režim nuceného větrání zajistil sice rozředění koncentrace hlavních toxikantů pod jejich hygienické limity, ale neudržel vrstvu neprůhledného kouře na požadované úrovni neutrální roviny (2,5 m). V průběhu první zkoušky došlo k opakované pulsaci vrstvy kouře se zatemněním celého průřezu JTT (ve 3., 4., 6., 7., 8., 9. a 10. minutě ve vzdálenosti 35 m od požáru ve směru proudění vzduchu). Při druhé zkoušce povětrnostní podmínky na portálech (teplota, rychlost větru) vytvořily obdobnou rychlost proudění vzduchu v JTT a tím i obdobné podmínky šíření kouře. Pulsace se zatemněním celého průřezu JTT však nastala pouze v 7,5. a 9. minutě ve vzdálenosti 35 m od místa požáru. 2.

Hodnoty hustoty tepelného toku, byly u obou zkoušek přibližně srovnatelné, přičemž vyšších měřených hodnot bylo u druhé zkoušky dosahováno po delší časový úsek. Z naměřených hodnot hustoty tepelného toku lze usuzovat, že v případě požáru osobního automobilu pravděpodobně dojde ke vznícení plastických materiálů v jeho bezprostředním okolí během několika minut.

3.

Teploty kouřových plynů byly při druhé požární zkoušce vyšší než při první. Srovnáním nejvyšších teplot plynů dosažených v průběhu obou zkoušek lze dospět k závěru, že naměřené teploty byly významně ovlivněny nucenou ventilací. Při uvedení instalovaného proudového ventilátoru do činnosti až v průběhu experimentu při 2. zkoušce byly naměřeny vyšší hodnoty teplot než při 1. zkoušce, kdy byl ventilátor v činnosti před iniciací tepelného zdroje. Činností ventilace dochází k intenzivnějšímu proudění plynů v tunelu a jejich ředění s chladnějším vzduchem.

4.

Teploty na povrchu stavebních konstrukcí, byly u obou zkoušek přibližně srovnatelné, přičemž vyšších měřených hodnot bylo u druhé zkoušky dosahováno po delší časový úsek.

5.

Měřením byla stanovena vyšší koncentrace kyslíku. Není zcela zřejmé, zda vyšší koncentrace O2 mají souvislost s vyšší rychlostí proudění v podélném směru nebo zda má vliv také promíchávání vrstvy kouře a vrstvy čerstvého vzduchu. Vyšší koncentrace CO2 při první zkoušce mohou mít souvislost s „dokonalejším“ spalování, když je při ventilaci dodáváno do prostoru požáru větší množství O2.

6.

Výsledky měření teplot, hustoty toku tepla, tepelného výkonu a koncentrací CO, CO2 ve spalinách při experimentech potvrdily odhady.

Omezující faktory výsledků měření Výpovědní hodnota ověřovacích zkoušek v tunelu Valík je omezena řadou skutečností: 1.

Experiment v tunelu Valík je jedním z prvních svého druhu v ČR. Přípravné období zkoušek bylo časově limitováno. Nedostatek zkušeností a času se negativně projevil na realizaci experimentu.

2.

Nebyla provedena rešerše současných poznatků a výsledků obdobných ověřovacích zkoušek v zahraničí.

3.

Z hlediska posuzování chování plynů při požáru nebylo optimální situování zkušebního

19

požáru. Stav, kdy směr proudění vzduchu ventilátorem je shodný s přirozeným prouděním vzduchu v tunelové troubě, je optimálnější z možných situací. Za problematičtější lze považovat situace, kdy ventilátor usměrňuje tok plynů proti směru přirozeného proudění. 4.

Za diskutabilní lze rovněž považovat zajištění ventilace pouze jedním ventilátorem umístěným před energetickým zdrojem (tunel Valík je vybaven dvěmi proudovými ventilátory). Došlo tak k situaci, kdy rozložení rychlostí proudění v tubusu tunelu bylo značně nerovnoměrné a neodpovídalo zcela podmínkám v případě skutečného požáru.

5.

Rovněž výkon zkušebního požáru 5 MW ovlivnil výpovědní hodnotu dat. Aby se simulovaná požární zkouška více blížila reálným podmínkám požáru, bylo by vhodné realizovat zkušební požáry s tepelným výkonem minimálně 15 MW. Splnění tohoto požadavku lze považovat za nutnou podmínku pro zpracování „Technického standardu“.

6.

Při porovnání reálných požárů a zkušebního požáru bylo při zkušebním požáru dosahováno nižších teplot. Lze se domnívat, že vliv má zejména geometrie, dispozice energetického zdroje v prostoru a rychlost proudění vzduchu v tunelu. Energetický zdroj v podobě hořlavé kapaliny se z tohoto pohledu jeví jako méně vhodný. Vhodnější by bylo v kombinaci se dřevem a plastickými hmotami v geometrii a dispozici paliva odpovídající reálnému objektu (silničnímu vozidlu). V tomto smyslu je však nejprve třeba stanovit technologii vytvoření energetického zdroje a způsob iniciace a provést referenční požár na volném prostranství, včetně měření.

Dílčí výsledky zkoušek ve vztahu k jejich provedení a k připravovaným následným zkouškám Na základě realizovaného experimentu lze rovněž vyvodit: 1.

Ověřovací požární zkoušky se jeví nezbytné provádět vždy před uvedením nového silničního tunelu do provozu tak, aby byly součástí technické dokumentace v současnosti plánovaných tunelů.

2.

Pro uspořádání ověřovacích zkoušek je třeba zvolit vhodnou fázi výstavby. Požár je třeba organizovat okamžitě po dokončení definitivní obezdívky. V této fázi výstavby jsou zkoušky ekonomicky únosné a současně jsou prováděny v podmínkách blízkých podmínkám po uvedení tunelu do provozu.

3.

Ventilátory by měly odolat podmínkám zkoušky po celou dobu jejího trvání. Odolnost ventilátorů má garantovat zhotovitel.

4.

Pro snížení rizika poškození tunelu a technologií na minimum je třeba zvolit vhodné místo pro energetický zdroj a ostění tunelu chránit před účinky požáru. Realizace ochrany ostění je ekonomicky i organizačně únosná.

Dílčí výsledky zkoušek využitelné pro navrhování a provozování tunelů a infrastruktury tunelů Prioritním cílem požárního větrání v tunelech je zajištění bezpečné evakuace a záchrany osob. Následně má ventilační systém umožnit účinný zásah jednotek požární ochrany. Obecně lze konstatovat, že management větrání tunelových trub v případě mimořádných událostí lze považovat za nesmírně citlivou problematikou, která je ovlivněna celou soustavou aspektů (např. situování stavby v terénu, geometrické a konstrukční provedení tunelu, účinnost větracích systémů, okolní podmínky, místo události v tunelu). Způsob (ovládání) větrání (např. uvedení do činnosti, nastavení zpoždění v závislosti na určitých podmínkách) v případě mimořádné události je individuální záležitostí, který lze stanovit pouze na základě 20

podrobného posouzení všech předvídatelných variant událostí a ovlivňujících činitelů. Podélné větrání proudovými ventilátory představuje z pohledu managementu větrání tunelu nejkomplikovanější z možných variant. Nepoměrně jednoduší situace nastává při instalaci polopříčných a příčných systémů větrání, kde lze v zásadě jednoduše a pregnantně stanovit požadavek na jejich činnost v případě mimořádných událostí (okamžité uvedení zařízení do provozu). Základními hodnotami pro rozhodovací proces (spuštění nebo nespuštění ventilace ihned po vzniku požáru) je směr a rychlost proudění vzduchu uvnitř tunelových trub a na portálech tunelu (tzv. rozhodné veličiny). Průběžným monitorováním rozhodných veličin lze za předpokladu předchozí analýzy možných (očekávaných) stavů, sestavit rozhodovací algoritmus pro řídící systém uvádějící ventilaci do činnosti. Nelze stanovit v obecné rovině pro všechny tunely, že systémy nuceného podélného větrání, musí nebo opačně nemohou být v činnosti bezprostředně po vzniku požáru, i když ve většině případů tomu tak zpravidla u jednosměrně provozovaných tunelů bude. Činnost podélného větrání může být zejména u kratších tunelů příčinou narušení stratifikace plynů v prostoru. V případě výskytu osob v prostorách s výskytem kouře může být účinek ventilace i negativní. Při navrhování spouštění ventilace, resp. jejího opožděného spouštění, je nutno přihlédnout k majoritním faktorům bezpečnosti, rozhodným veličinám a stavební charakteristice tunelu (počet potenciálně ohrožených osob, technická charakteristika větracího systému apod.) takovým způsobem, aby se toto zpoždění projevilo jako oprávněné. Úvahy týkající se změn směru proudění plynů větracími zařízeními by měly být akceptovány pouze s největší obezřetností a to zejména s ohledem na technické možnosti vzduchotechnických systémů, předpokládané okolní podmínky v okamžiku mimořádné události a celkovou koncepci požární bezpečnosti. Pro situace změny směru proudění plynů ventilačními zařízení nelze stanovit jednoduchý obecný koncept řešení. Současně se lze domnívat, že tato oblast požárního větrání přesahuje znalosti vzduchotechniků i požárních inženýrů, zabývajících se projektováním staveb tunelů. Dílčí výsledky zkoušek využitelné pro navrhování zásad taktiky zásahu jednotek PO Na základě realizovaného experimentu lze realizovat některé dílčí závěry: 1.

Činností ventilace dochází k intenzivnějšímu ředění kouřových plynů a vzduchu, což je příčinou nižších teplot plynů

2.

U požáru velmi malého rozsahu, zejména v během indukční periody, je intenzivní ventilací dosaženo snížení jeho okamžitého tepelného výkonu. Časová prodleva od zahájení ventilace oproti tomu dovolí kumulaci tepla a následný rychlý rozvoj požáru.

3.

Obecně lze konstatovat, že zásah do směru a rychlosti proudění plynů v tunelu musí být prováděn v souvislosti s postupem záchrany osob. Větší pravděpodobnost záchrany mají osoby, které se nalézají na straně požáru proti směru proudění. Proudění by tedy mělo být udržováno v první fázi v původním směru zvoleném řídícím systémem. Rychlost proudění lze pouze odhadovat, ale měla by se zpočátku pohybovat okolo 3 m.s-1. Tato rychlost je často uváděna jako kritická rychlost, při které již nedochází ke zpětnému nasávání zplodin. Následně lze rychlost změnit na základě zjištění jednotek PO zasahujících na straně požáru ve směru proudění.

4.

Po provedení záchrany bezprostředně ohrožených osob v části proti směru proudění od požáru a zajištění průběžného vyhledávání a záchrany ve vzdálenějších částech tunelové trouby na straně požáru proti směru proudění vzdušniny, lze provést revers požárního

21

větrání. Před převrácením proudění, je třeba přijmout taková opatření, aby nevznikla další ohrožení. 5.

Šíření kouře v prostoru portálů tunelů je podstatné také pro úvahy o organizaci zásahu složek IZS, neboť kouř se šíří do značné vzdálenosti za portály tunelu. V budoucnosti se jeví jako vhodné v projektové dokumentaci rozvést dispoziční členění prostoru před portály ve vazbě na organizaci místa zásahu.

6.

Jednotky PO, které mají v prostoru tunelu zasahovat jako první mají být standardně vybaveny dýchacími přístroji se zvýšenou ochrannou dobou.

7.

Pro efektivní a bezpečný zásah, je nutné do budoucna vybavit jednotky PO určené pro zásah v tunelu mobilním ventilátorem.

8.

Již v technické dokumentaci je třeba rozvést dispoziční členění prostoru před portály ve vazbě na organizaci místa zásahu.

9.

Je třeba minimalizovat interval mezi identifikací požáru a bojovým rozvinutím první jednotky PO.

Literatura [1] Kučera, P., Pavlík, T., Štěpáník, D., Pokorný, J.: Prognóza teplot s využitím požárních modelů a srovnání s reálným experimentem provedeným v tunelu Valík. Sborník přednášek konference Požární ochrana 2006. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, SPBI, 2006, s. 207 - 217, ISBN 80-86634-88-4. [2]

DUDAČEK, A. a kol.: Simulace požáru v tunelu „VALÍK“ požárními modely. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, FBI, 2006.

[3]

DEIBJERG, T. et al.: Argos User´s Guide – A Step by Step Guide to Fire Simulation. Danish Institute of Fire and Security Technology, 2003, ISBN 87-88961-49-4.

[4]

PEACOCK, R.D., JONES, W. W. et al.: CFAST – Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6) - User’s Guide. NIST Special Publication 1041, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, December, 2005.

[5]

McGRATTAN, K., FORNEY, G.P.: Fire Dynamics Simulator (Version 4) - User’s Guide. NIST Special Publication 1019, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, March, 2006.

[6]

FORNEY, G.P., McGRATTAN, K.: User’s Guide for Smokeview Version 4 – A Tool for Visualizing Fire Dynamics Simulator Data. NIST Special Publication 1017, National Institute of Standards and Technology, Maryland, March, 2006.

[7]

PyroSim: A model Construction Tool for Fire Dynamics Simulator (User Manual). Thunderhead Engineering, Manhattan, USA, 2006.

[8]

DVOŘÁK, O. a kol.: Zpráva o výsledcích měření při požárních zkouškách v tunelu Valík. Praha, MV-ČR generální ředitelství HZS ČR, 2006.

[9]

Vlček, V., Pokorný, J.: Interpretace výsledků zkoušek realizovaných v tunelu Valík na dálnici D5 - dílčí podklad pro jednání. Ostrava, 2006.

22

Příloha č. 1 Fotografie ze zkoušek se studeným kouřem

Obr. 1 Příprava zkoušky mimo tunel

Obr. 2 Umístění vyvíječů v tunelu

Obr. 3 Začátek druhé zkoušky

Obr. 4 Začátek třetí zkoušky

Obr. 5 Zapnutí ventilátoru při čtvrté zkoušce

Obr. 6 Období nulové rychlosti proudění plynů v tunelu při čtvrté zkoušce

23

Příloha č. 2 Fotografie z požárních zkoušek

24