Pożary w tunelach metra – charakterystyka zjawiska i znaczenie modeli temperaturowych w systemach wentylacji z wielopunktowym, scentralizowanym oddymianiem
Pożary w tunelach transportowych, w tym w tunelach metra, stanowią jedno z największych zagrożeń dla bezpieczeństwa publicznego i ciągłości funkcjonowania systemów komunikacyjnych. Ich specyfika wynika zarówno z ograniczonej przestrzeni, jak i trudności związanych z ewakuacją ludzi oraz prowadzeniem działań ratowniczo-gaśniczych. Charakterystyka tuneli – zamknięte przestrzenie, ograniczona liczba dróg ewakuacyjnych oraz znaczna długość – sprawia, że tradycyjne rozwiązania stosowane w budynkach użyteczności publicznej często okazują się niewystarczające.
Kluczową rolę w procesie ograniczania skutków pożaru odgrywa wentylacja przeciwpożarowa. W inżynierii tunelowej coraz częściej stosuje się zaawansowane systemy, łączące wentylację podłużną z wielopunktowym, scentralizowanym oddymianiem. Takie podejście pozwala na efektywniejsze odprowadzanie dymu, ograniczanie temperatury w krytycznych obszarach oraz poprawę warunków ewakuacji i prowadzenia akcji ratowniczych.
Specyfika pożarów w tunelach metra
Ograniczona przestrzeń i warunki propagacji ognia
W porównaniu z otwartymi przestrzeniami miejskimi czy nawet z budynkami wysokimi, pożary w tunelach charakteryzują się niezwykle dynamicznym rozwojem. Dym i gazy pożarowe, ograniczone do wąskiej przestrzeni, szybko osiągają wysoką temperaturę i rozprzestrzeniają się wzdłuż osi tunelu. Ograniczony dostęp świeżego powietrza sprawia, że proces spalania często przebiega w warunkach niepełnej wymiany gazowej, co sprzyja powstawaniu toksycznych produktów spalania.
Zagrożenia dla ludzi i infrastruktury
Największe zagrożenie dla ludzi stanowią wysoka temperatura, toksyczne substancje uwalniane podczas pożaru oraz ograniczona widoczność utrudniająca ewakuację. Dla infrastruktury krytyczne są natomiast oddziaływania termiczne na konstrukcję tunelu – temperatura stropu może osiągać wartości, które prowadzą do spadku nośności materiałów, a w konsekwencji do uszkodzeń konstrukcji lub jej częściowego zawalenia.
Rola systemów wentylacji
Celem systemów wentylacji i oddymiania w tunelach jest kontrola przepływu dymu, obniżenie temperatury oraz stworzenie warunków umożliwiających zarówno ewakuację ludzi, jak i skuteczne działanie służb ratowniczych. W zależności od rodzaju tunelu stosuje się wentylację poprzeczną, podłużną lub mieszane rozwiązania hybrydowe. W przypadku tuneli metra, ze względu na ich długość i ukształtowanie, szczególnie efektywnym rozwiązaniem jest wentylacja podłużna wspierana wielopunktowym oddymianiem scentralizowanym.
Wentylacja podłużna z wielopunktowym, scentralizowanym oddymianiem
Idea systemu
Wentylacja podłużna polega na wytwarzaniu przepływu powietrza wzdłuż osi tunelu w kierunku przewidzianym dla ewakuacji i odprowadzania dymu. W połączeniu z systemem wielopunktowego oddymiania scentralizowanego możliwe jest odprowadzanie dymu w kilku wybranych miejscach, co pozwala na efektywne sterowanie strumieniem powietrza i kontrolę nad zjawiskami termodynamicznymi wewnątrz tunelu.
Znaczenie nachylenia tunelu
Badania wykazują, że nachylenie tunelu ma istotny wpływ na rozkład temperatury stropu oraz dynamikę rozprzestrzeniania się dymu. W tunelach o wspólnym nachyleniu obserwuje się silną zależność między kątem nachylenia a maksymalną temperaturą przy stropie. Wynika to z kierunkowego przepływu gorących gazów, które naturalnie przemieszczają się ku górze, intensyfikując nagrzewanie konstrukcji w obszarach wyżej położonych.
Wyniki badań eksperymentalnych
Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że:
Maksymalna temperatura stropu tunelu rośnie liniowo wraz ze wzrostem nachylenia. Oznacza to, że nawet niewielkie zmiany kąta nachylenia mogą znacząco wpływać na poziom obciążenia termicznego konstrukcji.
Za otworami oddymiającymi obserwuje się charakterystyczny trend spadku temperatury. Dym i gorące gazy pożarowe częściowo usuwane są przez system oddymiania, co lokalnie redukuje obciążenia cieplne.
Stały współczynnik modelu temperaturowego pozostaje w praktyce niezmienny. Natomiast współczynniki opisujące tempo spadku temperatury są wrażliwe na parametry tunelu i systemu oddymiania.
Model spadku temperatury stropu z podwójną addycją wykładniczą
Podstawy modelu
Aby móc skutecznie prognozować warunki termiczne w tunelach metra, opracowano model matematyczny oparty na podwójnej addycji wykładniczej. Model ten zakłada, że spadek temperatury wzdłuż tunelu można opisać funkcją, w której część parametrów pozostaje stała, a inne uzależnione są od kluczowych zmiennych: nachylenia tunelu oraz wydajności systemu oddymiania.
Charakterystyka współczynników
Stały współczynnik modelu – odpowiada za podstawowy kształt krzywej temperaturowej i pozostaje niezmienny niezależnie od geometrii tunelu.
Współczynnik wskaźnika spadku – wykazuje liniową zależność od nachylenia tunelu. Im większe nachylenie, tym bardziej intensywny spadek temperatury wzdłuż osi tunelu.
Współczynnik redukcji – zależy liniowo od objętości oddymiania. Większa wydajność systemu oddymiającego prowadzi do skuteczniejszego obniżania temperatury.
Znaczenie praktyczne modelu
Model z podwójną addycją wykładniczą pozwala projektantom i inżynierom precyzyjnie przewidywać, jakie wartości temperatury będą występować w poszczególnych częściach tunelu podczas pożaru. Dzięki temu możliwe jest optymalne rozmieszczenie otworów oddymiających, dobór mocy wentylatorów oraz projektowanie systemów ochrony biernej konstrukcji.
Zastosowanie wyników badań w praktyce inżynierskiej
Optymalizacja systemów oddymiania
Na podstawie omawianego modelu możliwe jest wyznaczenie optymalnej liczby oraz lokalizacji otworów oddymiających w tunelach metra. Pozwala to nie tylko na zwiększenie bezpieczeństwa pasażerów, ale również na ograniczenie kosztów eksploatacyjnych związanych z pracą systemów wentylacyjnych.
Projektowanie konstrukcji odpornych na wysoką temperaturę
Znajomość maksymalnych temperatur stropu w funkcji nachylenia tunelu umożliwia inżynierom dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych oraz powłok ogniochronnych. W efekcie konstrukcja tunelu jest lepiej zabezpieczona przed utratą nośności w wyniku pożaru.
Wsparcie dla systemów ewakuacji i ratownictwa
Kontrola przepływu dymu i obniżanie temperatury stropu sprzyjają tworzeniu bezpiecznych stref ewakuacyjnych. Ułatwia to ewakuację pasażerów oraz znacząco wspiera działania ratowników, którzy w warunkach ograniczonej widoczności i wysokiej temperatury muszą szybko lokalizować źródło pożaru.
Kierunki dalszych badań i rozwoju
Chociaż obecne modele matematyczne dają już znaczące możliwości prognozowania zachowania się pożaru w tunelach, konieczne jest ich dalsze doskonalenie. W przyszłości można spodziewać się:
Integracji modeli z systemami cyfrowymi (digital twin) – tworzenie wirtualnych kopii tuneli, które na bieżąco analizują dane z czujników i prognozują rozwój pożaru w czasie rzeczywistym.
Zastosowania sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego – algorytmy AI mogą uczyć się na podstawie danych z rzeczywistych zdarzeń, aby szybciej i precyzyjniej prognozować zagrożenia.
Rozwoju materiałów ogniochronnych – wprowadzenie nowych technologii zabezpieczających konstrukcję tunelu przed ekstremalnymi temperaturami.
Testów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych – zwiększenie liczby badań eksperymentalnych w tunelach testowych, co pozwoli na lepsze skalowanie modeli matematycznych do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych.
Pożary w tunelach metra stanowią jedno z najpoważniejszych wyzwań w dziedzinie bezpieczeństwa przeciwpożarowego. Ograniczona przestrzeń, specyficzne warunki propagacji ognia oraz trudności związane z ewakuacją wymagają stosowania zaawansowanych systemów wentylacji i oddymiania. Zastosowanie wentylacji podłużnej w połączeniu z wielopunktowym, scentralizowanym oddymianiem umożliwia skuteczną kontrolę nad rozwojem pożaru, a przeprowadzone badania potwierdzają istnienie liniowej zależności między nachyleniem tunelu a maksymalną temperaturą stropu. Opracowany model spadku temperatury z podwójną addycją wykładniczą daje inżynierom narzędzie do projektowania systemów wentylacji, które zwiększają bezpieczeństwo pasażerów i chronią infrastrukturę przed zniszczeniem. Rozwój badań w tym obszarze oraz wdrażanie nowoczesnych rozwiązań technicznych stanowią fundament bezpiecznej eksploatacji tuneli metra, których znaczenie w nowoczesnych systemach transportu miejskiego stale rośnie.
Komentarze
Prześlij komentarz