WĘGRZYŃSKI Wojciech 1 KRAJEWSKI Grzegorz 2 Ocena ryzyka pożaru w kontekście projektu systemu wentylacji pożarowej tunelu drogowego WSTĘP Jednym z kluczowych parametrów wpływających na wymiarowanie systemu wentylacji pożarowej w tunelu komunikacyjnym jest ryzyko pożaru w obiekcie, rozumiane jako iloczyn prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzenia niekorzystnego oraz jego potencjalnych skutków. Analiza ryzyka pożaru w tunelu prowadzona przez projektanta systemu wentylacji pożarowej powinna odpowiedzieć na pytania: co może zapalić się w analizowanym tunelu oraz jaki będzie maksymalny wymiar zagrożenia (jaka będzie oczekiwana moc powstałego pożaru)? Dane te potrzebne są nie tylko w procesie wymiarowania systemu, ale również stanowić będą dane źródłowe w procesie jego oceny. Niedoszacowanie mocy pożaru może spowodować zbyt optymistyczny dobór parametrów systemu, co w przypadku pożaru w tunelu może mieć katastrofalne skutki. Przeszacowanie wartości spowoduje postawienie zbyt radykalnych wymagań co do wydajności systemu oraz klasy niezawodności działania w wysokiej temperaturze elementów systemu, co może w nieuzasadniony sposób podnieść koszt inwestycji. 1 METODY SZACOWANIA RYZYKA POŻARU Podstawową metodę szacowania ryzyka pożaru w tunelach drogowych zawarto w wytycznych RVS 09.02.31 [1]. Ogólna analiza ryzyka obejmuje ocenę zagrożenia życia użytkowników tunelu w wyniku wszystkich zdarzeń, nie tylko pożarowych. Rozbudowując tą metodologię o szczegółowe scenariusze zdarzeń pożarowych możliwe jest otrzymanie ryzyka związanego bezpośrednio z pożarem w tunelu. Analiza ryzyka tego typu może być szczególnie cenna w przypadku określania szczególnych wymagań dla obiektów zwiększających lub zmniejszających wymagany poziom bezpieczeństwa jego użytkowników. Ogólnie przyjmując, ryzyko można zmierzyć jako prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia niekorzystnego przemnożony przez jego skutki [1]. gdzie: R współczynnik ryzyka, H prawdopodobieństwo zdarzenia niekorzystnego, S współczynnik skutków zdarzenia niekorzystnego. Znając wartość ryzyka dla określonego obiektu można przyporządkować go do konkretnej grupy zagrożeń, lub rozwinąć analizę o przygotowanie matrycy ryzyka i drzew zdarzeń. Częstotliwość zdarzeń H można określić z wykorzystaniem metody przedstawionej w wytycznych RVS 09.02.31 [1]. Częstotliwość tą określa się w odniesieniu do zdarzeń niekorzystnych, co w przypadku drogowych tuneli komunikacyjnych oznacza wypadek drogowy w obszarze tunelu. Jej wartość zależy od średniego rocznego natężenia ruchu w tunelu, jego wymiarów oraz szeregu współczynników korekcyjnych wynikających z jego architektury i położenia. gdzie: JDTV średnie roczne natężenie ruchu w przekroju tunelu, przewidywana wartość dla kolejnych 10 lat [pojazdów/dziennie], L TU długość tunelu wraz z rejonem portali [km], U R 1 Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Badań Ogniowych, ul. Ksawerów 21, 02-656 Warszawa, w.wegrzynski@itb.pl 2 Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Badań Ogniowych, ul. Ksawerów 21, 02-656 Warszawa, g.krajewski@itb.pl 1
współczynnik częstotliwości zdarzeń [wypadków rocznie/1 milion samochodów/km], f VK współczynnik korekcyjny dla pojemności tunelu, f TL współczynnik korekcyjny dla długości tunelu, f VF współczynnik korekcyjny punktu zbieżności. Wartości współczynników korekcyjnych obliczane są z wykorzystaniem wzorów oraz tabel przedstawionych w wytycznych [1]. Skutki zdarzenia niekorzystnego odnosi się do oczekiwanej liczby zgonów w ciągu jednego roku, w przeliczeniu na jeden milion pojazdów na kilometr długości tunelu. Wartość współczynnika skutków zależy od: rodzaju tunelu; systemu wentylacji; natężenia ruchu; odległości do wyjścia ewakuacyjnego; częstotliwości zatorów komunikacyjnych. Wartości liczbowe współczynnika S podane są w normie w formie tabelarycznej w odniesieniu do podanych wyżej parametrów, w tym w szczególności w odniesieniu do projektowanego systemu wentylacji pożarowej. Metodologia przedstawiona w wytycznych RVS [1] wydaje się być kompletna, jednak poza możliwością oceny czy zastosowane rozwiązania sprowadzą ryzyko pożaru do wartości oczekiwanej nie pozwala na pozyskanie danych kluczowych dla projektu systemu wentylacji pożarowej. Weryfikacja różnych scenariuszy działania systemu może zostać ujęta w czasie analizy ryzyka w formie kolejnych iteracji danych wejściowych do obliczeń, jednak nigdy nie będzie ich wynikiem. Wskazuje to na potrzebę rozwijania modeli ryzyka pożaru skupionych na projekcie systemu wentylacji pożarowej. Problematykę projektowania systemów wentylacji pożarowej, w tym opartą w szczególności na metodach prezentowanych w wytycznych RVS przedstawiono w opracowaniu [26]. 2 PRAWDOPODOBIEŃSTWO POŻARU W TUNELU Znając prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia niekorzystnego (wypadku) możliwe jest określenie prawdopodobieństwa pożaru w tunelu. Najobszerniejszy zbiór danych w tym zakresie zaprezentował austriacki operator sieci drogowej ASFiNAG [2]. Według danych zebranych w latach 2006-2012 zaledwie 13% pożarów samochodów w tunelach następowało w wyniku kolizji, a dla pojazdów ciężkich było to 3%. 90% pożarów zaobserwowanych w tunelach można sklasyfikować jako samoistny zapłon pojazdu. Całkowitą liczbę pożarów przedstawiono w poniższych tabelach. Tabela 1.Liczba pożarów z podaniem przyczyny [2] Przyczyna pożaru Samochody Pojazdy ciężkie Całkowita liczba (poniżej 3,5 t) (powyżej 3,5 t) pożarów Samoistny zapłon pojazdu 32 28 60 Wypadek 5 1 6 wypadek jednego pojazdu 2 0 2 zderzenie czołowe 2 1 3 zderzenie przód-tył 1 0 1 Nieznana 1 1 2 Suma 38 30 68 Tabela 2. Liczba pożarów z przeliczeniem na liczbę przejechanych kilometrów [2] Łączna przejechana Liczba odległość w tunelach Typ pojazdu pożarów (2006-2012) w [10 9 km] Liczba pożarów na 10 9 km Samochody (poniżej 3,5 t) 38 9,1 4,2 Pojazdy ciężkie (ponad 3,5 t) 30 1,2 25,0 Wszystkie samochody 67 10,3 6,5 2
Rys. 1. Liczba pożarów w przeliczeniu na liczbę przejechanych kilometrów dla poszczególnych tuneli w austriackiej sieci drogowej [2] Tabela 3. Liczba pożarów z porównaniem ich intensywności [2] Intensywność pożaru Liczba zdarzeń Udział procentowy Samochody (poniżej 3,5 t) Pożar w pełni rozwinięty 12 37 % Pożar części pojazdu 20 63 % Pojazdy ciężkie (powyżej 3,5 t) Pożar w pełni rozwinięty (cały zestaw) 3 11 % Pożar w pełni rozwinięty (kabina kierowcy) 11 39 % Pożar części pojazdu 14 50 % W odniesieniu do danych ASFiNAG [2] próbę porównania liczby zdarzeń do liczby pożarów oraz liczbę ofiar do liczby pożarów przedstawił Rattei, a wyniki jego obliczeń przedstawiono w poniższych tabelach. Tabela 4. Pożary samoistne porównane z ogólną liczbą zdarzeń [2] Typ pojazdu Samoistne zapalenia się Zdarzenia na Pożary pojazdów na 1 mln km 1 mln km 1000 zdarzeń Samochody (< 3,5 t) 0,0035 1,5 Pojazdy ciężkie (> 3,5 t) 0,0234 2,372 9,9 Wszystkie pojazdy 0,0058 2,5 na Tabela 5. Pożary w wyniku wypadków z ofiarami [2] Wszystkie Pożary na Typ pojazdu Pożary w wyniku wypadków wypadki z 1000 wypadków z ofiarami ofiarami Samochody (< 3,5 t) 5 523 9,6 Pojazdy ciężkie (> 3,5 t) 1 245 4,1 3
Dane pochodzące z mniejszej próby statystycznej można odnaleźć także w opracowaniu dotyczącym pożaru w tunelach w Norwegii w latach 2008-2011. Średnia liczba pożarów rocznie według tego opracowania to 0,0125 pożaru na tunel, oraz 0,02125 zadymienia bez pożaru na tunel [3]. 3 MOC POŻARU W TUNELU DROGOWYM Źródła literaturowe traktujące o mocy pożaru w tunelu drogowym jako wartość wyjściową do projektu systemu podają wartości od 30 MW do 100 MW [4, 5, 6]. W przypadku badań nad mocą pożaru powstałą w pożarze samochodów osobowych strumień wydzielanego ciepła (ang. heat release rate, HRR) w dużej mierze zależy od sposobu prowadzenia badania (np. miejsce zapłonu), oraz momentu, w którym uszkodzeniu ulegnie zbiornik z paliwem, podczas gdy parametr całkowitej energii wydzielonej w trakcie pożaru samochodu zależy w największej mierze od całkowitej masy oraz rodzaju materiałów palnych znajdujących się w samochodzie. W analizach CFD parametrem wykorzystywanym będzie wartość HRR, jednak analiza całkowitej wydzielonej energii w pełniejszy sposób obrazuje zagrożenie, jakim jest pożar samochodu [7]. Bogatą analizę wartości całkowitej energii wydzielonej w badaniach oraz analizę krzywych HRR otrzymanych w badaniach prowadzonych nad samochodami osobowymi o podobnych gabarytach w latach 1994-2008 przedstawiono w pracach Jannsens a [7, 8]. Z porównania wyników badań można wyciągnąć wniosek, iż nowoczesne samochody zawierają coraz większą ilość materiałów palnych. Szacowana w roku 1998 ilość tworzyw sztucznych w samochodzie osobowym wynosiła około 115 kg [9]. Do wartości tej należy dodać około 50 kg benzyny oraz innych cieczy palnych znajdujących się w pojeździe, co sumarycznie daje około 165 kg materiałów palnych w samochodzie. W pracy [10] przedstawiono dane pochodzące ze zezłomowanych pojazdów i określono, że masa elementów z tworzyw sztucznych w samochodach wynosi około 100 kg. Od czasu przeprowadzenia tych badań ilość materiałów palnych w pojazdach mogła wzrosnąć do około 150 200 kg [11]. Niestety, w prowadzonych obecnie badaniach nad rozprzestrzenianiem się ognia w samochodach testowane są modele sprzed kilku lat. W trakcie prac BRE w latach 2007-2010 [12] przeprowadzono 11 pożarów testowych, w których wykorzystano 20 pojazdów wyprodukowanych w latach 1998-2004. W powyższym programie badawczym przyjęto, że w chwili badania samochody mogą mieć co najwyżej 5 lat, bądź być wciąż produkowane w niezmienionej formie. Średni czas trwania pożaru do samoistnego ugaszenia, w analizowanych badaniach wynosił 48,3 minut. Najkrótszy odnotowany pożar trwał 17,6 minuty a najdłuższy 113,9 minuty. Moc pożaru pojedynczego pojazdu wynosiła do około 10 MW, podczas gdy w badaniach więcej niż jednego samochodu jednocześnie otrzymywane moce pożaru przekraczały 22-23 MW [7, 25]. W odniesieniu do najbardziej niebezpiecznych pożarów w obiektach podziemnych, tj. pożarów pojazdów ciężarowych nazywanych pojazdami typu Heavy Goods Vehicle (HGV), analizę dotychczasowych badań w tym zakresie przedstawili Ingason i Lonnermark [13, 14]. Poza danymi analizowanymi w powyższej publikacji, za istotne z punktu widzenia analizy badań na świecie można uznać także wyniki projektu Memorial Tunnel w USA [15], w których maksymalna uzyskana moc pożaru tacy z paliwem ciekłym o powierzchni 60 m² wynosiła blisko 100 MW. 4
Rys. 2. Porównanie wyników badań EUREKA 499 oraz drugiej serii badań w tunelu Benelux [13] Badania porównawcze do przedstawionych powyżej przeprowadzono w tunelu Runehamar. Źródłem ciepła była naczepa pojazdu ciężarowego o długości 10,45 m i szerokości 2,9 m. Źródło ciepła było częściowo przykryte, jak przedstawiono na rysunku 4. W celu pomiaru mocy powstałego pożaru w tunelu wytworzono prędkość przepływu powietrza od około 2,4 m/s do około 3 m/s. Wartość mocy pożaru szacowano z wykorzystaniem metody kalorymetrii tlenowej [13]. Otrzymane wykresy mocy pożaru w funkcji czasu przedstawiono na rysunku 3. W wyniku prowadzonych badań, w teście oznaczonym jako Test 1, moc pożaru przekroczyła 200 MW. W przypadku źródła ciepła osłoniętego plandeką, oraz z największą zawartością tworzyw sztucznych moc ta nie przekroczyła 75 MW. Najciekawszą obserwacją był zbliżony do liniowego rozwój pożaru oznaczonego jako Test 4. Rys. 3. Wyniki pomiarów mocy pożaru w trakcie badań w tunelu Runehamar [13] 5
Rys. 4. Widok źródeł ciepła w czterech testach prowadzonych w tunelu Runehamar [13] Przedstawione wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że w bardzo specyficznych warunkach moc pożaru pojazdu ciężarowego może osiągnąć wartość nawet 200 MW, jednak w trakcie prowadzonych badań nad rozwojem pożaru w tunelach przy urzeczywistnianiu załadunku pojazdów otrzymywane moce były zdecydowanie niższe. W związku z powyższym, zaleca się aby w trakcie analizy ryzyka pożaru w tunelu przyjmować uznaną w literaturze przedmiotu moc pożaru 100 MW, jednocześnie stawiając wymagania dotyczące nośności ogniowej elementów konstrukcyjnych tunelu w odniesieniu do krzywej temperatura-czas zaproponowanej przez RVS. 4 ZAAWANSOWANE METODY OCENY RYZYKA Rozbudowaną metodologię szacowania ryzyka w tunelach drogowych można odnaleźć w wytycznych RVS 09.03.11 Tunnel Risk Model TuRisMo [16] oraz publikacjach OECD/PIARC dotyczących opracowanego przez wspomniane instytucje oprogramowania QRAM [17]. Inne podejście do analizy ryzyka w tunelach drogowych na podstawie algorytmów analizy zagrożeń i oceny determinant bezpieczeństwa użytkowników tunelu drogowego przedstawił zespół Akademii Górniczo-Hutniczej pod kierownictwem prof. Nawrata [18]. Rozbudowane metody szacowania ryzyka opierają się na opracowywaniu drzew zdarzeń, matryc ryzyka oraz krzywych skutków/prawdopodobieństwa, na podstawie których określany jest akceptowalny poziom ryzyka. Przykład matrycy ryzyka w której kryterium granicznym była śmiertelność 0,001 osoby rocznie w tunelu o kategorii A wg. ADR [19] przedstawiono na rysunku poniżej [20]. 6
Rys. 5. Matryca ryzyka (uproszczone podejście) [20] W przypadku tuneli w których zezwala się na transport materiałów niebezpiecznych, uproszczone podejście jest niewystarczające, zachodzi potrzeba dokładniejszej analizy ryzyka zdarzeń w tunelu. Metodologia QRAM przewiduje 13 różnych scenariuszy zdarzeń dla szczegółowej analizy ryzyka w tunelu [21, 22]: 1. Pożar pojazdu ciężarowego bez niebezpiecznych materiałów (20 MW); 2. Pożar pojazdu ciężarowego bez niebezpiecznych materiałów (100 MW); 3. BLEVE (ang. Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) zbiornika z gazem płynnym LPG; 4. Pożar rozlewiska paliwa; 5. VCE (ang. Vapour Cloud Explosion) dużej ilości paliwa samochodowego; 6. uwolnienie dużej ilości chloru; 7. BLEVE dużej ilości paliwa, 8. VCE dużej ilości paliwa; 9. Torch Fire zbiornika z gazem płynnym LPG; 10. uwolnienie dużej ilości amoniaku; 11. uwolnienie dużej ilości akroleiny; 12. uwolnienie akroleiny w cylindrach; 13. BLEVE dużej ilości ditlenku węgla (bez oddziaływania toksycznego). Wynikiem takiej analizy jest krzywa prawdopodobieństwa/skutków, której przykład przedstawiono na rys. 6. Innym przykładem wykorzystania zaawansowanych metod szacowania ryzyka, połączonych z metodami baz danych oraz metodą kompleksowej oceny skutków pożaru przedstawili autorzy publikacji [24]. Dla analiz z wykorzystaniem wykresów prawdopodobieństwa/skutków (FN) ryzyko graniczne wyznacza linia opisana zależnościami: 7
Rys. 6. Krzywa prawdopodobieństwa/skutków dla wybranych założeń [23] WNIOSKI Analiza ryzyka pożaru samochodu osobowego oraz ciężarowego w tunelu powinny stanowić nierozłączny element projektu systemu wentylacji pożarowej. Wyniki tej analizy powinny służyć nie tylko jako weryfikacja przyjętych rozwiązań projektowych ale także jako dane wejściowe do dalszej oceny skuteczności systemu. Dobrze przeprowadzona analiza ryzyka, oparta na najnowszych badaniach pozwala na optymalizację parametrów systemu wentylacji pożarowej tak, aby nie generować zbędnych kosztów na przewymiarowany system wentylacji, jednocześnie zapewniając, że oczekiwania wobec systemu zostaną spełnione. Streszczenie Artykuł przedstawia metodologię oceny ryzyka pożaru w tunelu komunikacyjnym w odniesieniu do zagrożenia pożarowego ze strony zarówno ruchu pojazdów osobowych jak i ciężarowych. Analiza tego typu jest jednym z elementów prawidłowego projektu systemu wentylacji pożarowej w tunelu i może jednocześnie stanowić podstawę sformułowania warunków brzegowych wykorzystanych w późniejszej analizie numerycznej skuteczności działania systemu. Autorzy przedstawiają uznane wyniki badań czołowych światowych jednostek naukowo-badawczych wraz z płynącymi z nich wnioskami oraz analizą ich potencjalnego wykorzystania. Podstawowymi wnioskami z opracowania są sugerowana moc pożaru w tunelu komunikacyjnym wynosząca 100 MW oraz sugerowany poziom ryzyka w tunelu stanowiącym podstawę do dalszych rozważań, wynoszący 0,001 śmierci rocznie. Fire risk analysis for the design of fire ventilation system in road tunnels Abstract In the article the authors presents a methodology of risk assesment of both normal cars and Heavy Goods Vehicles (HGV). Such analysis is one of elements of a good fire ventilation design, and can be the base for defining boundary conditions for further CFD analysis. Authors present results obtained in multiple research programs proceeded by top scientific units in this field of Fire Safety Engineering. Results are discussed and their potential use in practice is presented. The main conclusions presented in the article are the design Heat Release Rate for HGV fire of 100 MW and acceptable risk of fire in tunnel that can be the first approximation further developed during research, of 0,001 deaths per year. 8
BIBLIOGRAFIA (styl Nagłówek 1) 1. RVS 09.02.31 Tunnel Ventilation - Basic Principles, 2008 2. Rattei G., Lentz A., Kohl B., How frequent are fires in tunnels analysis from Austrian tunel incydent statistics, Tunnel safety and ventilation Graz 2014 3. Nævestad T.O., Meyer S., A survey of vechicle fires in Norwegian road tunnels 2008-2011, Tunnelling and Underground Space Technology (Impact Factor: 1.11). 01/2014; 41:104 112 4. Fire and smoke control in road tunnels. PIARC, 05.05B-1999, 1999. 5. NFPA 502. Standard for road tunnels, bridges, and other limited access highways. National Fire Protection Association, 2004. 6. ATB Tunnel 2004. Va gverket, Publikation, Borla nge, 2004. p. 124 7. Krajewski G., Węgrzyński W., Wykorzystanie narzędzi inżynierii bezpieczeństwa pożarowego w projektowaniu i odbiorze systemów wentylacji pożarowej garaży zamkniętych, Bezpieczeństwo i technika pożarnicza, CNBOP 2014 (w recenzji) 8. Jannsens M. Development of a database of full-scale calorimeter tests of motor vehicle burns. San Antonio, Texas : Southwest Research Institute, 2008 9. Persson B. i Simonson M. Fire emissions into the atmosphere. 1998, Fire Technology, 34 (3), strony 266-279 10. Jekel L. i Tam E. K. L. Niagara, Environmental Sustainability: Plastic's Evolving Role in the Automotive Life Cycle.: CSCE/EWRI of ASCE Environmental Engineering Conference, 2002 11. Lonnermark A. i Blomqvist P., Emissions from an automobile fire. 62, 2006, Chemosphere, strony 1043-1056 12. CIRCULAR No 2000-63 concertning safety in the tunnels of the national highways network, 2000 13. Ingason H., Lonnermark A,, Heat release rates from Heavy Goods Vehicles Trailers in Tunnels, Fire Safety Journal, Vol. 40 Issue 7, pp 646-668, 2005 14. Lonnermark A., Ingason H., Gas temperatures in heavy goods vehicle fires in tunnels, Fire Safety Journal 40 (2005) pp. 506-527 15. Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program Test Report. Massachusetts Highway Department and Federal Highway Administration, 1995. 16. Hörhan R., Forster C., Kohl B., RVS 09.03.11 Upgrading of the Austrian tunnel risk model TuRisMo, Tunnel safety and ventilation Graz 2012 17. http://www.piarc.org/en/knowledge-base/road-tunnels/qram_software/, Marzec 2014 18. Nawrat S., Nowak-Senderowska D., Schmidt-Polończyk N., Algorytm analizy zagrożeń i oceny determinant bezpieczeństwa użytkowników tunelu drogowego, Konferencja BiBT 2014, Kraków 2014 19. Economic Commission for Europe Committee on Inland Transport: ADR European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road 20. Diernhofer F., Kohl B., Horhan R., Risk Assessment of transport for the dangerous foods in Austrian Road Tunnels, Frankfurt am Main, 2010 21. Lacroix D, Cassini P, Hall R and Saccomanno F. Transport of dangerous goods through road tunnels: an integrated QRA Model developed under the joint OECD/PIARC Project ERS2. International ESReDA Seminar on'safety and Reliability in Transport', Oslo, 19-21 May 1999 22. PIARC Technical Committee C.4 Road Tunnel Operation, Current practice for risk evaluation for road tunnels, 2013 23. PIARC, Examples of application of the QRA Model (UK, Austria, France), www.piarc.org, Marzec 2014 24. Tofiło P. et al., Expert System for Building Fire Safety Analysis and Risk Assessment, Modern Building Materials, Structures and Techniques, Volume 57, 2013, Pages 1156 1165 25. Sztarbała G., Węgrzyński W., Krajewski G., Głąbski P., Projektowanie systemów wentylacji pożarowej w obiektach budowlanych. Kurs organizowany przez Zakład Badań Ogniowych. Warszawa : Instytut Techniki Budowlanej, 2011 9
26. Krajewski G., Węgrzyński W., Porównanie wybranych metod doboru systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych, Materiały Budowlane 2014 10