Oszacowanie przepływu dymu pod poziomą przegrodą budowlaną w pasażu handlowym jest ważnym krokiem większości metod obliczeniowych przedstawianych w normach projektowych. Niestety, nasza wiedza dotycząca zjawisk zachodzących w trakcie tego przepływu jest bardzo ograniczona. Znane metody upraszczają przepływ do uśrednionej wartości współczynników zwiększających, bądź wykorzystywane są proste zależności różnicujące wartość strumienia masy dla kilku predefi niowanych przypadków. 

Systemy wentylacji pożarowej są niezbędnym elementem nowoczesnego wielkokubaturowego obiektu handlowo-usługowego. W przypadku lokali handlowych o małej powierzchni, powszechnym rozwiązaniem technicznym wentylacji jest umożliwienie wypływu dymu z pomieszczenia do pasażu, a następnie usunięcie dymu z górnej części obiektu, nazywanej „zbiornikiem dymu”. Taki rodzaj oddymiania powszechnie nazywany jest „oddymianiem przez pasaż” [1, 2]. System wentylacji pasażu można nazwać skutecznym, jeżeli jest w stanie odprowadzić dym powstały w pożarze dowolnego, połączonego z nim lokalu handlowego. W projekcie systemu należy uwzględnić nie tylko parametry architektoniczne pomieszczenia, czy witryny łączącej je z pasażem, ale także architekturę samego pasażu – w tym przede wszystkim przegrody poziome (strop kolejnej kondygnacji) ponad pasażem, oraz wielkość i rozmieszczenie otworów międzykondygnacyjnych. Dane te są niezbędne do oszacowania ilości dymu płynącego w unoszącej się kolumnie konwekcyjnej w pasażu, co stanowi ostatni krok obliczeń niezbędnych do zwymiarowania systemu wentylacji pożarowej pasażu.

Niniejszy artykuł stanowi drugą część cyklu poświęconego zjawiskom zachodzącym w czasie pożaru obiektu handlowego. Poszczególne artykuły dotyczą różnych obszarów w obiekcie budowlanym – cz. 1. poświęcono zjawiskom zachodzącym w pomieszczeniu objętym pożarem, cz. 2. obejmuje przepływ dymu pomiędzy lokalem a pasażem, a cz. 3. poświęcono przepływowi w kolumnach konwekcyjnych dymu oraz usuwaniu dymu ze zbiornika dymu. Zakres tematyczny poszczególnych części cyklu zilustrowano na rysunku 1.

Rys. 1. Przepływ dymu z lokalu objętego pożarem do zbiornika dymu w pasażu handlowym

Przegrody poziome w pasażach handlowych

Typowym układem architektonicznym nowoczesnego, wielkopowierzchniowego obiektu handlowego jest połączenie lokali handlowych z pasażem przypominające układ „ulicy handlowej”. W wielokondygnacyjnych obiektach powszechnym jest umieszczanie pasaży kolejnych pięter nad sobą, tworząc spójną i powtarzalną tkankę obiektu. Komunikacja pionowa realizowana jest przede wszystkim za pomocą schodów i chodników ruchomych, dla których tworzone są otwory międzykondygnacyjne. W celu zachowania spójnej architektury obiektu, poprawy odczucia przestrzeni i lepszego doświetlenia najniższych pięter budynku, otwory te są zazwyczaj zdecydowanie większe, niż wymagałaby tego funkcja komunikacyjna.

Lokalizacja i wielkość otworów międzykondygnacyjnych ma kluczowe znaczenie w kontekście przepływu dymu w obiekcie. Na rysunku 2. przedstawiono przykładowe konfi guracje przegrody poziomej w dwukondygnacyjnym obiekcie. Najprostszą konfi guracją jest zabudowa pasażu kondygnacji wyższej do linii krawędzi zabudowy witryn kondygnacji niższej a). W tym wariancie nie występuje przepływ dymu pod przegrodą poziomą, a wyniki obliczeń wypływu dymu przez otwór wejściowy mogą być bezpośrednią daną wejściową do modelu kolumny rozpływającej się. Zazwyczaj, ta konfi guracja wymaga najmniejszego systemu oddymiania obiektu. Konfi guracje b) i c) przedstawiają przepływ dymu pod przegrodą poziomą – odpowiednio płytką i głęboką. Istniejące metodologie projektowe uwzględniają liniowy wpływ głębokości balkonu [3] bądź zupełnie go pomijają [4], podczas gdy jak wskazały badania Autora, wpływ głębokości balkonu na wymiarowanie systemu oddymiania jest zasadniczy. Ostatnia konfi guracja d) przedstawia najtrudniejszy przypadek, tj. zastosowanie niewielkich otworów międzykondygnacyjnych w stosunku do powierzchni rzutu poziomego pasażu. W tym przypadku dym wpływa do otworu całym jego obwodem, przy czym zagrożenie powstałe w wyniku pożaru na kondygnacji objętej pożarem jest większe, niż w przypadkach a), b) i c). Skomplikowaną metodologię obliczeniową dla tego przypadku przedstawiono w [5].

Rys. 2. Sposoby zabudowy przestrzeni międzykondygnacyjnej w pasażu handlowym

Obliczenia przepływu dymu w pasażu

Powszechnie wykorzystywane metody obliczeniowe często warunkują wymiarowanie wentylacji pożarowej pasażu od zastosowania kurtyn kierunkujących przepływ (ang. channeling screens) (rys. 3.). Kurtyny te są urządzeniami stosowanymi w celu ograniczenia szerokości przepływu dymu na krawędzi przegrody poziomej. W kontekście metod przedstawionych w niniejszym opracowaniu, obecność kurtyn kierunkujących nie jest niezbędna, chociaż projektant powinien mieć świadomość, że takie rozwiązanie może skutecznie zmniejszyć ilość dymu niezbędną do usunięcia z obiektu budowlanego.

Rys. 3. Przepływ nieograniczony i ograniczony kurtynami kierunkującymi

W wielu metodach obliczeniowych jednym z warunków brzegowych jest obecność „nadproża” w otworze wejściowym (rys. 4.), uwzględnionego za pomocą współczynnika C_d. Nadprożem tym jest zazwyczaj pionowa przegroda ponad wejściem (często szklana lub wykonana z lekkich materiałów jak płyty GKF). Wartości przypisywane współczynnikowi C_d wynoszą 1 lub 0,65, odpowiednio gdy „nadproża” nie ma lub ma ono istotny wpływ na przepływ dymu. Rozrzut ten można przypisać charakterowi opływu „nadproża” przez dym – w momencie, gdy na drodze dymu pojawia się istotna przeszkoda, przepływ ma charakter silnie turbulentny, co uzasadnia mniejszą wartość współczynnika C_d. Wykorzystanie tego uniwersalnego współczynnika było w przeszłości kwestionowane, a sama jego wartość była dostosowywana przez badaczy do otrzymanych wyników badań eksperymentalnych uzyskanych dla wąskiego zakresu zmienności parametrów brzegowych. Stoi to w sprzeczności z uniwersalnym charakterem, jaki jest przypisywany współczynnikowi C_d.

Rys. 4. Przepływ dymu: a) przy obecności istotnej przegrody pionowej; b) przy braku istotnej przegrody pionowej. W przypadku a) przepływ dymu zmienia kierunek, tworząc niewielką kolumnę konwekcyjną dymu, w przypadku b) obecność przegrody wprowadza dodatkową turbulencję do przepływu

(...)

 Badania autora

 (...)

Podsumowanie

Z uwagi na bardzo małą liczbę badań nad przepływem dymu pod przegrodami poziomymi, zjawiska zachodzące w tym przepływie były często pomijane lub nadmiernie upraszczane w powszechnie stosowanych metodach obliczeniowych. Niestety, jak pokazały ostatnie badania zagraniczne oraz te prowadzone przez Autora pracy, to co wyglądało dotychczas dobrze „na papierze”, w rzeczywistości może wyglądać zupełnie odmiennie. Pozorne oszczędności w projektach systemów wentylacji, polegające na zmniejszaniu otworów wejściowych do lokali, nie prowadziły do oczekiwanej poprawy warunków wentylacji obiektu, jednocześnie obniżając poziom bezpieczeństwa pożarowego w lokalach handlowych.

Wyniki badań oraz wykryte niedoskonałości metod projektowania oznaczają, że stosowanie analiz numerycznych CFD w celu potwierdzenia skuteczności działania systemów wentylacji pożarowej jest niezbędnym elementem procesu projektowego. Wzory obliczeniowe i proste metody szacowania ilości dymu sprawdzają się jako narzędzie wstępnego wymiarowania systemu, są też doskonałe jako narzędzie kształtowania intuicji projektanta i określania zależności pomiędzy zmianami w architekturze a oczekiwanym działaniem systemu, ale nie stanowią pełnego i jednoznacznego potwierdzenia skuteczności działania systemu w myśl przepisów techniczno-budowlanych.

W kolejnej części cyklu Autor przedstawi problematykę szacowania masy dymu płynącej w kolumnie konwekcyjnej, co stanowi ostatni krok szacowania przepływu masy w pożarze lokalu handlowego oddymianego przez pasaż.

Wojciech WĘGRZYŃSKI
− Zakład Badań Ogniowych,
Instytut Techniki Budowlanej

LITERATURA:

[1] W. WĘGRZYŃSKI: Wentylacja pożarowa w centrach handlowych − Cz. 1. Podstawy teoretyczne modeli obliczeniowych. Chłodnictwo i Klimatyzacja. (n.d.).

[2] W. WĘGRZYŃSKI: Wpływ przegród budowlanych na przepływ dymu w wielkokubaturowym obiekcie budowlanym. Ochr. Przeciwpożarowa. (2017).

[3] NFPA, NFPA 92 Standard for Smoke Control Systems 2015 Edition. (2015).

[4] BSI, BS 7974 Part 4: Components for smoke and heat control systems. Functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, employing steady-state design fires. Code of practice. (2003).

[5] H. P. MORGAN, B. K. GHOSH, G. GARRAD, R. PAMLITSCHKA, J.-C. De SMEDT, L. R. SCHOORBAERT: Design methodologies for smoke and heat exhaust ventilation. BRE. Watford. UK. 1999.

[6] R. HARRISON, M. SPEARPOINT: The Balcony Spill Plume: Entrainment of Air into a Flow from a Compartment Opening to a Higher Projecting Balcony. Fire Technol. 43 (2007). 301–317. doi:10.1007/ s10694-007-0019-3.

[7] H. P. MORGAN: G. O. HANSELL: Atrium buildings: Calculating smoke fl ows in atria for smoke-control. Fire Saf. J. 12 (1987). 9–35. doi:10.1016/0379-7112(87)90013-0.

[8] R. HARRISON: Entrainment of Air into Thermal Spill Plumes. University of Canterbury. 2009.

[9] G. O. HANSELL, H. P. MORGAN, N. R. MARSHALL: Smoke fl ow experiments in a model atrium. Build. Res. Establ. Occas. Pap. OP 55. (1993).

[10] J.-P. VÉRITER: Comparison of existing empirical methods to quantify the air entrainment in smoke spill plumes - Proposal for a simplied method for sizing smoke ventilation systems in atria. University of Ghent. 2012.

[11] Y. KO, G. HADJISOPHOCLEOUS, G. D. LOUGHEED: CFD study of the air entrainment of balcony spill plumes at the balcony edge. ASHRAE Trans. 114 (2008). 344–354.

[12] M. LAW: Measurements of Balcony Smoke Flow. Fire Saf. J. 24 (1995). 189–195.

[13] W. WĘGRZYŃSKI: Wpływ układu przegród w budynku na przepływ dymu w warunkach pożaru. Instytut Techniki Budowlanej. Warszawa. 2017.