ANALIZY KOMPUTEROWE


Rozwój współczesnej inżynierii ma swój początek w osiągnięciach naukowych mechaniki klasycznej. Inżynieria była i jest głównym motorem rozwoju naszej cywilizacji. Również w zakresie ochrony przeciwpożarowej, to właśnie inżynieria przyczyniła się do istotnej poprawy bezpieczeństwa ludzi i ochrony mienia. Mimo że w naszym kraju, jak i większości innych, ochrona przeciwpożarowa bazuje na przepisach, to jednak wielu specyficznych czy bardziej złożonych problemów nadal nie jesteśmy w stanie rozwiązać bez znajomości metod inżynierskich.

Jako firma posiadająca korzenie naukowe, zaadaptowaliśmy wiele osiągnięć inżynierii do celów ochrony przeciwpożarowej. Stworzyliśmy również własne rozwiązania pozwalające lepiej ocenić bezpieczeństwo, a także optymalizować koszty związane z ochroną przeciwpożarową.

Kluczowymi rozwiązaniami jakimi się posługujemy są to: obliczeniowa mechanika płynów (ang. Computational Fluid Dynamics – CFD), numeryczne rozwiązywanie problemów brzegowych, modelowanie wieloagentowe, czy metody Monte Carlo. Są one używane do weryfikacji skuteczności wentylacji pożarowej, oceny bezpieczeństwa ludzi i ekip ratowniczych, analizy ewakuacji, ilościowej analizy ryzyka pożarowego, nośności konstrukcji w warunkach pożaru, czy określania efektów fizycznych i skutków awarii przemysłowych.

Weryfikacja skuteczności oddymiania

Jedną z najczęściej stosowanych metod inżynierskiej oceny bezpieczeństwa pożarowego są analizy CFD, których używa się do przewidywania przepływu masy i ciepła generowanych na skutek ewentualnego pożaru. Zawarte w dymie cząstki zmniejszają widzialność i drażnią oczy, utrudniając przez to możliwość ewakuacji. A toksyczne produkty spalania, wysokie stężenie dwutlenku węgla i niskie tlenu, są główną przyczyną ofiar w pożarach. Zaraz po tym jest ciepło przenoszone na skutek promieniowania lub konwekcji. Powoduje ono poparzenia skóry i dróg oddechowych, a także, działając na zmysł bólu, utrudnia ewakuację.

Analizy CFD są w stanie precyzyjnie przewidzieć przemieszczanie się dymu i ciepła generowanych przez pożar w ramach ustalonego scenariusza. Dzięki temu można ocenić skuteczność zastosowanych technicznych systemów zabezpieczeń, takich jak wentylacja pożarowa, podział na strefy dymowe, czy działanie instalacji tryskaczowej. Pozwala to już na etapie projektowania budynku uniknąć wielu błędów, a także optymalizować koszty ochrony przeciwpożarowej. Ponadto w przypadku garaży podziemnych o określonej powierzchni, są one niezbędnym element procesu projektowego.

W ramach naszych analiz używamy oprogramowania Fire Dynamics Simulator (FDS). Jest to obecnie najbardziej zaawansowane narzędzie pozwalające na definicję różnego rodzaju pożarów, łącznie z modelowaniem procesów pirolizy i efektów gaszenia. Pozwala na wiarygodne odwzorowanie działania technicznych systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych, a także określenie scenariusza ich działania. Jako wynik analiz zwracane są wartości parametrów fizycznych środowiska pożaru w całej domenie obliczeniowej z podziałem na poszczególne kroki czasowe.

Poniżej wizualizacje z wybranych projektów

Oprócz FDS w naszym portfolio są również analizy z użyciem modeli strefowych CFAST i B-RISK, a także FireFOAM, który również wykorzystuje numeryczną mechanikę płynów.

Modelowanie ewakuacji

Jedną z podstawowych metod inżynierskiej analizy bezpieczeństwa pożarowego jest analiza czasów DCBE/WCBE. DCBE to dostępny czas bezpiecznej ewakuacji, a WCBE to wymagany czas bezpiecznej ewakuacji. Podejście polega na porównaniu czy czas, w którym zachowana jest możliwość ewakuacji, jest dłuższy niż czas potrzebny do ewakuacji.

Czas zachowania możliwości ewakuacji wyznaczany jest najczęściej przy użyciu opisanych wyżej symulacji CFD. Natomiast WCBE dla prostych układów komunikacji (garaże, hale produkcyjne o małej gęstości ludzi) obliczany jest analitycznie. Jednakże w miejscach o dużym skomplikowaniu geometrii lub dużej gęstości ludzi, podejście analityczne może być obarczone błędem. Wówczas wykorzystywane jest oprogramowanie do modelowania ewakuacji, odwzorowujące sposób poruszania się indywidualnych osób, zachowań w tłumie, a także zachowań społecznych.

W ramach naszych analiz wykorzystujemy wieloagentowe oprogramowanie do ewakuacji Pathfinder, jak również opracowany przez nas program A-evac. Pozwala on na precyzyjne obliczenie czasu ewakuacji uwzględniając złożoności architektoniczne, kolejkowanie oraz ewakuację z użyciem personelu (szpitale).

Jako jedni z nielicznych realizujemy analizy łącznego modelowania pożaru i ewakuacji, które to pozwalają w precyzyjny sposób określić czy ewakuujące się osoby miały kontakt z dymem lub ciepłem.

Poniżej wizualizacje z wybranych projektów

Ilościowa analiza ryzyka

Obecna inżynieria bezpieczeństwa pożarowego bazuje w większości na analizach deterministyczych. Oznacza to, że bezpieczeństwo jest oceniane na podstawie kilku subiektywnie wyznaczonych scenariuszach rozwoju pożaru. Podejście to jest prawidłowe i efektywne dla powtarzalnych rozwiązań architektonicznych. Bazuje ono bowiem na kolektywnej wiedzy dziedzinowej profesji oraz marginesach bezpieczeństwa.

Podejście takie jest obarczone jednak dużą niepewnością w przypadku nowoczesnych i złożonych konstrukcji typu galerie handlowe, hale produkcyjne, budynki wysokościowe czy budynki wielofunkcyjne. Wówczas to ocena bezpieczeństwa oparta na kilku selektywnie wybranych scenariuszach, może prowadzić do istotnych luk w bezpieczeństwie, na przykład przez pominięcie w analizie najbardziej niekorzystnych scenariuszy. Podejście to może też generować niepotrzebne koszty na bezpieczeństwo, poprzez uwzględnianie scenariuszy rozwoju pożaru o pomijalnym prawdopodobieństwie wystąpienia.

Wolne od wymienionych ograniczeń i błędów jest podejście probabilistyczne. W ramach analizy probabilistycznej uwzględniane są wszystkie możliwe scenariusze pożaru jakie mogą wystąpić w budynku. Scenariusze mogą być w dalszej kolejności pogrupowane względem konsekwencji oraz dla każdej z grup obliczane jest prawdopodobieństwo. W konsekwencji pozwala to na ilościową analizę ryzyka, będącą state-of-the-art nowoczesnej ochrony przeciwpożarowej.

Jesteśmy jedną z niewielu firm, które realizują ilościową analizę ryzyka pożaru. Dodatkowo finalnym efektem naszych obliczeń jest analiza koszt-zysk bazująca na osiągnięciu Life Quality Index. Analiza ta pozwala na istotną racjonalizację i optymalizację wydatków na ochronę przeciwpożarową.

Jesteśmy również twórcą najbardziej obecnie zaawansowanego i kompleksowego oprogramowania do analizy ryzyka pożaru Aamks.

Poniżej wizualizacje z wybranych projektów

Modelowanie konstrukcji w warunkach pożaru

Podstawowym europejskim standardem regulującym projektowanie konstrukcji jest zbiór norm zharmonizowanych PN-EN, nazwanych Eurokod. Standard ten reguluje również obliczanie konstrukcji w warunkach pożaru. W zakresie projektowania, Eurokod definiuje dwa podejścia zwane procedurami projektowymi:

Obecnie w większości krajów projektowanie konstrukcji w warunkach pożaru odbywa się przy wykorzystaniu tradycyjnych reguł bazujących na krzywej nominalnej temperatura-czas. Jednakże w większości przypadków krzywa nominalna nie odzwierciedla grupy rzeczywistych pożarów, które mogą wystąpić w projektowanym budynku. W skrajnych przypadkach może to powodować niedoszacowanie zagrożenia. W znakomitej większości przypadków prowadzi to do braku optymalizacji kosztów przeszacowując zabezpieczenia.

Koncepcja naturalnego modelu pożaru zdefiniowana przez Eurokod EN 1991-1-2 pozwala na projektowanie konstrukcji przy zastosowaniu modeli rozwoju pożaru oraz właściwości materiałów składowanych w budynku. Podejście to pozwala na zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa przy istotnej optymalizacji kosztów.

Wykonujemy obliczenia konstrukcji w warunkach pożaru stosując zasady Eurokodu ustalone na podstawie właściwości użytkowych. Używamy do tego celu zarówno prostych (OZone), jak i zaawansowanych (SAFIR, Elmer, FDS) modeli rozwoju pożaru i reakcji konstrukcji. Podejście to pozwala na wykonanie projektu konstrukcji skrojonego do konkretnego budynku i na zapewnienie wymaganego poziomu bezpieczeństwa, istotnie optymalizując koszty oraz zapewniając elastyczność projektowania.

Naszym szczególnym osiągnięciem jest zaproponowanie i implementacja metodyki w postaci oprogramowania MultiZone i McSAFIR dla systemów antresoli oraz systemów podłogowych. Wykonujemy również analizę popożarową konstrukcji.

Poniżej wizualizacje z wybranych projektów

Ocena zagrożenia wybuchem

Najczęściej stosowanym podejściem do oceny zagrożenia wybuchem jest podejście analityczne definiowane przez zbiór norm PN-EN 60079-10. Jest ono bardzo skuteczne oraz efektywne w prostych i powtarzalnych problemach. Jednakże do bardziej złożonych układów instalacji lub specyficznych problemów może okazać się nieoptymalne. Brak optymalizacji może objawiać się zarówno w niedoszacowaniu bezpieczeństwa, na przykład w wielkości stref, gdzie mogą tworzyć się mieszaniny wybuchowe, lub jego przeszacowaniu i ponoszeniu niepotrzebnych kosztów, na przykład koniecznością stosowania większej liczby urządzeń w wykonaniu przeciwwybuchowym.

Numeryczne rozwiązanie problemów emisji i dyspersji substancji pozwala na dużo bardziej precyzyjne określenie przestrzeni, gdzie mogą powstać atmosfery wybuchowe. Przy złożonych problemach pozwala to na lepszy dobór systemów wentylacji, a dzięki temu na poprawę bezpieczeństwa i optymalizację kosztów.

Wykonujemy analizy dyspersji substancji oraz powstania atmosfer wybuchowych przy użyciu oprogramowania OpenFOAM oraz FDS. Pomagamy optymalizować projekt wentylacji poprzez dobranie wydajności oraz rozmieszczenie kratek wyciągowych i nawiewnych.

Poniżej wizualizacje z wybranych projektów

Prawdopodobieństwo i skutki awarii przemysłowych

Zgodnie z Dyrektywą Seveso, zakłady zwiększonego ryzyka mają obowiązek szacowania możliwości wystąpienie poważnej awarii przemysłowej. Natomiast zakłady dużego ryzyka, oprócz prawdopodobieństwa, mają również obowiązek oszacować skutki takiej awarii.

Obecnie najczęściej stosowanym podejściem do wymienionych problemów jest jakościowa ocena prawdopodobieństwa bazująca na wiedzy eksperckiej oraz oprogramowanie ALOHA do obliczania skutków awarii. Jednakże oba te podejścia mają swoje słabości. Jakościowa analiza jest podatna na błędy i uprzedzenia typowe dla oceny eksperckiej. Dodatkowo ryzyko określane jest miarą semantyczną a nie liczbową, co rodzi dalsze problemy w analizie koszt-zysk. Natomiast obliczanie skutków awarii metodami algebraicznymi (ALOHA) generuje dużo uproszczeń i uśrednień. Nie bierze też pod uwagę specyfiki ukształtowania terenu, zjawisk turbulencji w atmosferze, a także możliwości przejścia z deflagracji w detonację.

Wykonujemy obliczenia prawdopodobieństwa wystąpienia awarii przemysłowej w oparciu o metody probabilistyczne, statystyczne oraz z wykorzystaniem symulacji Monte Carlo. Nasze podejście do analizy skutków awarii bazuje na symulacjach numerycznych CFD. Wykorzystujemy oprogramowanie OpenFOAM oraz FDS. Szacujemy wszystkie efekty fizyczne (z wyjątkiem odłamkowania) z użyciem tych modeli. Obliczamy skutki takich zjawisk jak:

Poniżej wizualizacje z wybranych projektów