Kiedy wymagana jest symulacja CFD w projektach budowlanych?

Wstęp

Współczesne budownictwo stawia coraz wyższe wymagania w zakresie bezpieczeństwa pożarowego. W szczególności w budynkach o dużej kubaturze, obiektach wysokościowych, tunelach czy garażach podziemnych istotne staje się przewidywanie zachowania się dymu i gorących gazów podczas pożaru. W tym kontekście niezwykle ważnym narzędziem staje się symulacja CFD (Computational Fluid Dynamics), czyli obliczeniowa mechanika płynów. Dzięki niej inżynierowie mogą przeprowadzać analizy dotyczące skuteczności systemów oddymiania, efektywności ewakuacji czy wpływu różnych elementów konstrukcyjnych na bezpieczeństwo użytkowników budynku.

Symulacje CFD w kontekście pożarowym opierają się na modelowaniu przepływu dymu i gorących gazów w oparciu o zaawansowane metody numeryczne. Narzędzia takie jak Fire Dynamics Simulator (FDS), rozwijane przez National Institute of Standards and Technology (NIST), umożliwiają precyzyjne odwzorowanie warunków panujących w budynkach podczas pożaru. W połączeniu z oprogramowaniem wizualizacyjnym, takim jak Smokeview (SMV), pozwalają one na analizę zarówno dynamiki ognia, jak i skuteczności zastosowanych rozwiązań inżynierskich. W niniejszym artykule przeanalizujemy przypadki, w których symulacja CFD jest wymagana przez przepisy budowlane oraz sytuacje, w których jej zastosowanie jest rekomendowane w celu poprawy bezpieczeństwa.

1. Podstawy symulacji CFD w inżynierii budowlanej

1.1. Co to jest symulacja CFD?

Obliczeniowa mechanika płynów (CFD, Computational Fluid Dynamics) to dziedzina inżynierii zajmująca się modelowaniem i symulacją przepływu płynów oraz gazów w różnych warunkach. W kontekście budownictwa symulacje CFD pozwalają na przewidywanie sposobu rozprzestrzeniania się dymu w przypadku pożaru oraz ocenę skuteczności systemów wentylacyjnych, oddymiających i ewakuacyjnych.

Podstawą działania modeli CFD jest matematyczne odwzorowanie równań Naviera-Stokesa, które opisują przepływ płynów i gazów. W przypadku symulacji pożarowych uwzględnia się także dodatkowe procesy, takie jak:

• Spalanie i emisja ciepła – określenie, jak ogień oddziałuje na otaczające struktury.
• Dyfuzja i konwekcja dymu – analiza, w jaki sposób gorące gazy rozprzestrzeniają się w budynku.
• Reakcje chemiczne – np. spalanie różnych materiałów budowlanych.
• Oddziaływanie na ludzi – ocena warunków widoczności i toksyczności dymu w kontekście ewakuacji.

Jednym z najczęściej stosowanych narzędzi w tej dziedzinie jest Fire Dynamics Simulator (FDS), który umożliwia precyzyjne modelowanie warunków pożarowych. Oprogramowanie to znajduje szerokie zastosowanie w analizie bezpieczeństwa obiektów budowlanych, w tym w projektowaniu systemów przeciwpożarowych, testowaniu wydajności systemów oddymiania oraz ocenie dróg ewakuacyjnych.

Symulacja CFD pozwala także na analizę alternatywnych scenariuszy pożarowych, które trudno byłoby odtworzyć w rzeczywistości bez narażania ludzi i infrastruktury na zagrożenie. Dzięki temu możliwe jest przewidywanie różnych wariantów rozwoju pożaru oraz optymalizacja systemów ochrony przeciwpożarowej.

1.2. Narzędzia i oprogramowanie wykorzystywane do symulacji

W inżynierii pożarowej wykorzystuje się różne narzędzia do modelowania przepływów powietrza i dymu w budynkach. Najbardziej popularnym i uznanym oprogramowaniem stosowanym do symulacji CFD w kontekście pożarowym jest Fire Dynamics Simulator (FDS), opracowany przez National Institute of Standards and Technology (NIST). FDS to zaawansowany program numeryczny oparty na metodzie objętości skończonych, który umożliwia symulację rozprzestrzeniania się ognia, dymu oraz ciepła w różnych warunkach budowlanych.

Do wizualizacji wyników symulacji FDS stosuje się Smokeview (SMV), które umożliwia analizę rozkładu dymu, temperatury, widoczności oraz prędkości przepływów gazów pożarowych w budynku. Smokeview pozwala na prezentację wyników w formie:

• Izopowierzchni temperatury i gęstości dymu,
• Animacji przepływu dymu w czasie rzeczywistym,
• Map gradientu temperatury i widoczności w przestrzeni budynku.

Oprócz FDS i SMV, inżynierowie pożarowi stosują również inne narzędzia, takie jak:

• PyroSim – nakładka na FDS ułatwiająca budowanie modeli geometrycznych i ustawianie warunków symulacji.
• OpenFOAM – otwartoźródłowe narzędzie CFD wykorzystywane do bardziej zaawansowanych analiz przepływów gazów.
• ANSYS Fluent – profesjonalne oprogramowanie CFD używane w analizach przepływów powietrza, w tym w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem pożarowym.

Wybór odpowiedniego narzędzia zależy od specyfiki danego projektu, skali obiektu oraz wymagań normatywnych. W praktyce FDS i Smokeview są najczęściej stosowane w symulacjach budynków mieszkalnych, biurowych, tuneli oraz garaży podziemnych.

2. Przepisy i normy wymagające zastosowania symulacji CFD

2.1. Akty prawne dotyczące ochrony przeciwpożarowej w budynkach

Wymogi dotyczące stosowania symulacji CFD w projektach budowlanych wynikają zarówno z przepisów krajowych, jak i międzynarodowych norm dotyczących ochrony przeciwpożarowej. W Polsce kluczowe akty prawne regulujące bezpieczeństwo pożarowe to:

• Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 5 sierpnia 2023 r. w sprawie uzgadniania projektu zagospodarowania działki lub terenu oraz projektu architektoniczno-budowlanego pod względem zgodności z wymaganiami ochrony przeciwpożarowej.
• Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, określające zasady projektowania systemów oddymiania i ewakuacji.
• Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej, która nakłada obowiązek stosowania odpowiednich systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych w budynkach o zwiększonym ryzyku pożarowym.

Zgodnie z obowiązującymi przepisami, symulacje CFD są często wymagane przy projektowaniu:

• Systemów oddymiania klatek schodowych, zgodnie z wytycznymi Centrum Naukowo-Badawczego Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP).
• Wentylacji strumieniowej w garażach podziemnych, co zostało szczegółowo opisane w wytycznych Akademii Pożarniczej dotyczących weryfikacji instalacji wentylacyjnych za pomocą CFD.
• Ewakuacji w budynkach wielkokubaturowych, gdzie wymagane jest zapewnienie minimalnej widoczności w dymie, określone w normach NFPA 204 i PN-B-02877-4.

W niektórych przypadkach przepisy dopuszczają odstępstwa od standardowych wymagań technicznych, pod warunkiem przeprowadzenia analizy CFD wykazującej, że alternatywne rozwiązania spełniają wymogi bezpieczeństwa. Jest to szczególnie istotne w obiektach o nietypowej geometrii lub ograniczeniach konstrukcyjnych.

2.2. Wymogi związane z analizą CFD w kontekście projektowania systemów bezpieczeństwa pożarowego

W wielu przypadkach analiza CFD jest wymagana jako element procesu projektowego, zwłaszcza gdy standardowe rozwiązania inżynierskie mogą być niewystarczające lub nieefektywne. Przepisy i normy budowlane wskazują na konieczność stosowania symulacji CFD w następujących sytuacjach:

1. Systemy oddymiania klatek schodowych
   • Wytyczne CNBOP oraz normy europejskie, takie jak PN-EN 12101, wymagają przeprowadzenia symulacji CFD w celu zweryfikowania skuteczności systemów oddymiania w klatkach schodowych.
   • Kluczowe aspekty analizy obejmują czas osiągnięcia niebezpiecznego stężenia dymu, temperaturę powietrza w klatce oraz minimalną widoczność wymaganą do ewakuacji.
2. Analiza wpływu architektury budynku na rozprzestrzenianie się dymu
   • Obiekty o skomplikowanej geometrii, np. centra handlowe, hale widowiskowe i wielopoziomowe parkingi, wymagają szczegółowej analizy dynamiki dymu w warunkach pożaru.
   • CFD umożliwia ocenę wpływu układu przegród budowlanych na przepływ dymu, co jest kluczowe dla skuteczności ewakuacji.
3. Projektowanie wentylacji strumieniowej w garażach podziemnych
   • W garażach wielopoziomowych stosuje się wentylację strumieniową, która ma za zadanie usuwać dym i toksyczne gazy w przypadku pożaru. Wytyczne Akademii Pożarniczej podkreślają konieczność przeprowadzenia symulacji CFD do weryfikacji poprawności projektu.
   • Analiza obejmuje m.in. rozmieszczenie wentylatorów, kierunki przepływu dymu oraz czas wymagany na opróżnienie przestrzeni z gazów pożarowych.
4. Ewakuacja ludzi w warunkach zadymienia
   • W budynkach o dużej liczbie użytkowników, takich jak wieżowce biurowe, stadiony czy szpitale, CFD pozwala określić czas, w jakim ewakuujący się ludzie stracą możliwość swobodnego poruszania się z powodu dymu.
   • Przepisy wymagają, aby widoczność w dymie była nie mniejsza niż 10 metrów, a temperatura gazów w strefie przebywania ludzi nie przekraczała 60°C.
5. Weryfikacja skuteczności systemów oddymiania w magazynach i halach produkcyjnych
   • Duże powierzchnie przemysłowe, w których występują wysokie regały magazynowe, wymagają symulacji CFD do analizy skuteczności klap dymowych oraz systemów wentylacyjnych.
   • Symulacje pozwalają określić czy otwieranie klap dymowych nie opóźni aktywacji systemów tryskaczowych, co może wpłynąć na przebieg pożaru.

3. Przypadki wymagające symulacji CFD

3.1. Ocena efektywności systemów oddymiania

W projektach budowlanych coraz częściej stosuje się systemy oddymiania oparte na dynamicznych modelach przepływu powietrza. Ich skuteczność można ocenić jedynie poprzez symulacje CFD, które pozwalają:

• Przeanalizować czas ewakuacji i widoczność w dymie.
• Sprawdzić czy klapy dymowe otwierają się w odpowiednim momencie.
• Określić wpływ ciśnienia różnicowego na przepływ dymu w budynku.

Normy budowlane, takie jak NFPA 204 oraz PN-B-02877-4, wymagają, aby oddymianie zapewniało odpowiednie warunki dla straży pożarnej i osób ewakuujących się.

3.2. Analiza wentylacji strumieniowej w garażach podziemnych

Wentylacja strumieniowa w garażach jest kluczowym elementem systemów bezpieczeństwa. Symulacja CFD umożliwia weryfikację:

• Czy wentylatory strumieniowe skutecznie usuwają dym z garażu.
• Jakie są optymalne lokalizacje punktów wlotowych i wylotowych powietrza.
• Czy czas utrzymania warunków bezpiecznych dla ewakuacji jest zgodny z normami.

Wytyczne Akademii Pożarniczej podkreślają, że przeciętny garaż o dużej powierzchni wymaga kilku symulacji scenariuszy pożarowych, aby ocenić różne warunki pogodowe i warianty rozwoju pożaru.

3.3. Ocena wpływu przegrodzenia budynku na przepływ dymu

Konstrukcja budynku ma istotny wpływ na rozprzestrzenianie się dymu. Symulacja CFD pozwala:

• Określić, czy ścianki działowe i przegrody nie blokują prawidłowego przepływu dymu.
• Zidentyfikować miejsca, gdzie może wystąpić akumulacja gorących gazów.
• Zaprojektować systemy wentylacyjne dostosowane do rzeczywistych warunków.

Badania wykazały, że nieprawidłowo rozmieszczone przegrody mogą znacznie skrócić czas bezpiecznej ewakuacji, co zostało opisane w pracy naukowej Instytutu Techniki Budowlanej.

3.4. Symulacje dotyczące układów ewakuacyjnych

W sytuacji pożaru kluczowe jest, aby ludzie mieli wystarczająco dużo czasu na opuszczenie budynku. Symulacje CFD pomagają:

• Określić czas, po którym widoczność w dymie spada poniżej bezpiecznego poziomu.
• Zweryfikować czy systemy wentylacyjne umożliwiają ewakuację przed przekroczeniem krytycznych temperatur.
• Ocenić skuteczność nadciśnieniowego systemu zabezpieczeń drzwi ewakuacyjnych.

W wielu krajach przepisy wymagają, aby ewakuacja była możliwa przynajmniej przez 10 minut od momentu wykrycia pożaru, co można ocenić jedynie poprzez symulacje CFD.

Podsumowanie

Symulacje CFD stanowią nieodzowny element współczesnego projektowania systemów przeciwpożarowych. Pozwalają one na optymalizację systemów oddymiania, ocenę skuteczności wentylacji strumieniowej i weryfikację warunków ewakuacji. Wymagania dotyczące stosowania CFD wynikają zarówno z polskich przepisów, jak i międzynarodowych norm, co sprawia, że stają się one standardem w projektowaniu bezpiecznych budynków.