Analize Experimentale de Simulare Numerica cu Privire la Evacuarea Tunelurilor Rutiere
Cuprins
MULȚUMIRI
Mulțumesc, cu toată recunoștința și aprecierea, doamnei prof. dr. ing. Daniela POPESCU și domnului prof. emerit dr. ing. Valeriu Nicolae PANAITESCU, conducători stiințifici, pentru interesul și susținerea de care au dat dovadă pe toată durata de pregătire a tezei.
Sunt recunoscător membrilor comisiei de evaluare pentru recomandările, sfaturile și sugestiile competente și valoroase care m-au ajutat în definitivarea lucrării.
Un loc aparte în cadrul pregătirii îl are colegul și mentorul meu încă din perioada studenției, domnul mr. lect. univ. dr. ing. Ion ANGHEL, care m-a ajutat la punerea în operă a experimentelor practice și a simulărilor numerice și care m-a sprijinit de fiecare dată când a fost nevoie, prin transmiterea continuă de sugestii în ceea ce privește documentația de studiu.
Adresez pe această cale sincere mulțumiri domnului prof. dr. ing. Alexandru CHISACOF din cadrul Departamentului de Inginerie Termică, Mașini Termice și Frigorifice al Universității Politehnica București pentru ajutorul acordat și îndrumarea către soluții practice utile pentru desfășurarea experimentelor și publicarea de articole de prestigiu.
Mulțumesc pe această cale domnului drd. ing. Octavian LALU din cadru URBAN INCERC (centru de testări la foc) și domnului drd. arh. Florin ENACHE, care m-au ajutat în mod direct la buna desfășurare a părții experimentale, alocând timp și resurse tehnice, condiții și instrumente de măsură pentru realizarea testelor practice.
Le mulțumesc colegilor din Facultatea de Pompieri a Academia de Poliție “Al. I. Cuza” pentru buna îndrumare către studiu și perfecționare continuă încă din perioada studenției și membrilor firmei PROMAT, cu al căror direct ajutor s-a reușit achiziționarea și asamblarea machetei de tunel necesară realizării părții experimentale.
Mulțumesc domnului cpt.(r) dr. ing. Constantin POPA, fără a cărui recomandare de începere a studiilor doctorale, aceste pagini nu ar fi fost scrise.
Adresez mulțumiri logodnicei mele, Denisa VLĂSCEANU, care m-a susținut moral și m-a încurajat în permanență în vederea realizării corecte, complete și fără întârzieri a acestei lucrări de cercetare.
Nu în ultimul rând țin să aduc mulțumiri speciale părinților mei, pentru deosebitul merit de a îmi fi dat viață și de a mă fi educat în spiritul corectitudinii și al bunei credințe.
Septembrie 2015 Autorul
INTRODUCERE
Motivația alegerii temei curente
Dată fiind dezvoltarea exponențială a construcțiilor de diverse tipuri la care se adaugă dorința nemărginită a omului de a se deplasa mai repede și mai sigur în condițiile lipsei de spațiu cauzată de sporirea numărului de autovehicule și a altor mijloace de transport în comun, tunelurile au devenit obiective indispensabile transportului cotidian de persoane și mărfuri, factori care, cumulați, conduc la aprecierea încadrării prezentei teme într-un stadiu de certă actualitate.
Tunelurile reprezintă în zilele noastre optima soluție de exploatare a rocilor și stâncilor montane, dar și a mediului marin care, odată prelucrate, pot asigura facilități de transport prin scurtarea distanțelor și spargerea barierelor unor forme de relief ce ar fi dus la ocolirea acestora, de multe ori imposibilă sau posibilă cu mari eforturi financiare și de alte tipuri.
Dincolo de a reprezenta o simplă modalitate de traversare a unor zone sau forme de relief, un tunel, indiferent de tipul acestuia oferă utilizatorilor acele condiții de confort și siguranță care să le permită acestora să le utilizeze cu încredere. Prin confort și siguranță se înțelege crearea acelor condiții necesare realizării unui mediu optim în care noxele rezultate în urma arderii carburantului autoturismelor să fie reduse, funcție îndeplinită de instalațiile de evacuare a fumului și a gazelor de ardere, dar și care să ofere ocupanților condiții sigure de evacuare, pompierilor posibilități de acces pentru intervenție în caz de incendiu și, nu în ultimul rând, să constituie un spațiu echipat cu instalații de protecție adecvate care să inducă șoferilor ideea că mașina lor este în siguranță.
De ținut seama că, spre deosebire de dimensionarea instalațiilor de protecție pasivă și activă la incendii a unor structuri fixe (parcaje auto, de exemplu), în tuneluri trebuie avute în vedere mai mulți factori variabili specifici acestui tip de construcție (trafic variabil, tipuri de mărfuri transportate, condiții meteo etc).
Așa cum reiese pe parcursul elaborării tezei, lucrarea tratează cu precădere aspecte direct legate de studiul evoluției incendiilor și ai efluenților acestuia, de prevenire a incendiilor și a efectelor pe care acestea le pot avea asupra utilizatorilor, în funcție de diverși parametri și de anumite scenarii prestabilite.
Obiectivele lucrării de cercetare
Unul din primele obiective al tezei de doctorat este reprezentat de obținerea unor rezultate noi legate de prevenirea și gestionarea situațiilor de urgență din cadrul tunelurilor rutiere, în scopul minimizării riscurilor la care sunt supuși utilizatorii acestora precum și a facilitării intervenției pompierilor. De asemenea, un alt obiectiv este reprezentat de efectuarea experimentelor practice în vederea analizării fenomenelor fizice și sociale asociate incendiilor, precum și a activităților de evacuare a tunelurilor rutiere.
Obiectivele majore urmează să se împletească pe măsura parcurgerii următoarelor etape:
stabilirea stadiului actual al preocupărilor în domeniu privitoare la situațiile de urgență specifice obiectivelor de tip tuneluri rutiere și reliefarea principalelor aspecte legate de incendiile din cadrul acestora;
construirea incintei pentru testare;
stabilirea spațiului și a locației exacte de amplasare a machetei de tunel;
alegerea și achiziționarea materialului combustibil;
executarea experimentelor utilizând diverși combustibili și condiții de ventilație;
interpretarea rezultatelor;
realizarea de simulări computerizate de incendiu și de evacuare pentru implementarea scenariilor de incendiu și evacuare;
formularea concluziilor legate de îmbunătățirea prevenirii și gestionării situațiilor de urgență din tunelurile rutiere, urmare a parcurgerii cu succes a pașilor anterior menționați;
formularea concluziilor și a indicațiilor ulterioare de cercetare.
Prezentarea lucrării
Partea de Introducere a acesteia prezintă câteva elemente ale problematicii abordate, fiind precizate cadrul teoretic și practic al dezvoltărilor lucrării. Se justifică, astfel, alegerea temei cercetării, se fixează obiectivele de studiu, se realizează o prezentare generală a lucrării, se argumentează necesitatea simulării pe calculator a incendiilor specifice din tunelurile rutiere împreună cu detalierea programelor speciale de simulare precum și modul de execuție al testelor experimentale. Totodată se adaugă o serie de explicații privind programele de software și sistemele de operare folosite pe parcurs precum și modul de organizare și execuție a testelor experimentale.
Capitolul 1, „Despre tuneluri. Situațiile de urgență asociate tunelurilor rutiere și stadiul actual al preocupărilor în domeniul prevenirii și managementului acestora”, prezintă nivelul actual al cunoașterii referitor la importanța tunelurilor rutiere în lume, debutând cu prezentarea câtorva date cu caracter general și a unor scurte repere statistice și istorice. Tot la capitolul generalități sunt prezentate și date comparative în funcție de tipul constructiv și destinația tunelurilor, situația tunelurilor rutiere din punct de vedere al lungimilor și al traficului în spațiul european precum și detalii tehnice minime care prezintă importanță în domeniu. Sunt abordate și aspecte ce țin de poluare precum și situații de urgență aferente acestui tip de construcție. Capitolul se incheie cu stadiul actual al cercetărilor în domeniu situațiilor de urgență pe plan internațional, expunându-se testele realizate pe toate tipurile de autovehicule (autoturisme, camioane și autobuze) la scară reală în acest scop.
Capitolul 2, „Particularitățile incendiilor în tunelurile rutiere și analiza riscurilor derivate. Rolul ingineriei securității la incendiu și instrumente aplicative ale acesteia în cazul tunelurilor rutiere” debutează cu prezintarea generală a noțiunilor despre incendii, dezvoltând semnificația mărimilor specifice acestui fenomen (ardere, viteza de ardere, temperaturi de ardere, produse rezultate în urma arderii, temperatură, efluenți, transfer termic, debite de fum și gaze fierbinți) precum și limitele maxime de suportabilitate pentru oameni derivate din expunerea acestora la valori superioare ale parametrilor rezultanți ai incendiilor (căldura radiantă și convectivă, efectele reducerii concentrației de oxigen, produse toxice de combustie și vizibilitatea prin fum). Se continuă apoi cu prezentarea trăsăturilor incendiilor în cadrul tunelurilor rutiere (abordare generală, cauze, consecințe, pericole pentru utilizatori) și a parametrilor de severitate ale acestora. Sunt reliefate curbele de temperatură-timp utilizate în tuneluri și se realizează o scurtă trecere în revistă a celor mai importante evenimente notabile în domeniu, incendiul din tunelul Tauern (Austria) și incendiul din tunelul Mont-Blanc și se reliefează o serie de învățăminte rezultate.
Capitolul 3, „Cercetări experimentale la scară privind caracteristicile incendiilor în tunelurile rutiere” prezintă în primul rând scopul efectuării acestor cercetări apoi metoda matematică de scalarizare utilizată (Froude) care a stat la baza tuturor calculelor de similitudine efectuate. S-a continuat cu descrierea detaliată a standului experimental și s-au analizat toate cele 13 teste efectuate, rând pe rând, începând cu prezentarea condițiilor în care acestea s-au desfășurat, valori înregistrate pe parcursul desfășurării lor și incheind cu un set de concluzii pentru fiecare experiment. S-au utilizat combustibili lichizi, etanol, motorină și benzină, din rațiuni de calcul a HRR (heat release rate sau rata degajării de căldură). Experimentele s-au împărțit în 3 mari categorii, prima categorie cuprinzând 3 teste având ca obiectiv determinarea indicatorilor specifici de comportament la incendiu a combustibililor lichizi în condiții nestandardizate, a doua categorie de teste înglobând desfășurarea următoarelor 7 dintre acestea, utilizând ca incinta de ardere tăvițe special calculate conform unui algoritm Excel care, în urma introducerii valorii HRR redus la scară, a calculat cantitățile necesare pentru fiecare combustibil lichid precum și suprafețele de ardere aferente. Ultimul set de teste a avut ca scop determinarea experimentală a HRR cu ajutorul balanței electronice Kern a fiecărui tip de combustibil utilizat, prin calcularea pierderii de masă pe întreaga durată de ardere. S-au formulat apoi concluziile globale ale tuturor experimentelor, din care s-au analizat, prelucrat, comparat și interpretat rezultatele obținute și s-au trasat posibile direcții ulterioare de continuare ale testelor efectuate.
Capitolul 4, „Analize de simulare numerică privind securitatea la incendiu a tunelurilor rutiere”, după o scurtă expunere a unor noțiuni privind securitatea la incendiu a tunelurilor rutiere, prezintă datele generale ale programului Pyrosim, interfața grafică a programului Fire Dynamic Simulator (FDS), și oportunitatea utilizării acestuia în cazul studiului privind prevenirea și managementul situațiilor de urgență în tuneluri. Se introduc câteva noțiuni despre programul de simulare Pyrosim, cu evidențierea domeniilor de aplicare și a aporturilor acestui program, și se dezvoltă nucleul matematic folosit. Modelul rezolvă numeric o formă a ecuațiilor Navier-Stokes pentru viteză redusă, flux termic degajat și evoluție a fumului. Derivatele parțiale ale ecuațiilor de conservare a masei, momentului și energiei sunt aproximate ca diferențe finite, iar soluția este avansată în timp pe o rețea tridimensională, rectilinie. S-au introdus în cadrul programului dimensiunile fizice ale tunelului supus simulării și cele aferente unui tunel la scară naturală, scopul acesteia fiind unul dublu, pe de o parte abordând scenariul studiat în cadrul experimentelor practice, cu introducerea în cadru a unei machete de tunel la scara 1/10 iar pe de altă parte având ca obiect simularea unui incendiu plecând de la un autoturism în cadrul unui tunel cu dimensiuni 6×8×200 m, putând fi considerat un tunel cu dimensiuni reale. Acest scenariu a presupus și amplasarea de instalații fixe de sprinklere montate deasupra locului focarului, ca măsură suplimentară de protecție aplicabilă spațiilor semideschise, din care fac parte și tunelurile rutiere.
Capitolul 5, „Analize experimentale și de simulare numerică cu privire la evacuarea tunelurilor rutiere”, cuprinde generalități privitoare la evacuarea tunelurilor rutiere, simularea realizându-se în condițiile anterior menționate ale tunelului la scară reală lung de 200 m. Se studiază comportamentul persoanelor la evacuarea din situații de urgență, subliniind diversele comportamente manifestate la evacuare, influențele date de elementele de construcție asupra comportamentului uman în cazul evacuării, deplasarea prin fum a persoanelor care se evacuează, pauzele făcute de persoane pe căile de evacuare, efectele directe ale incendiului asupra comportamentului uman și panica. S-au studiat și alte comportamente la evacuare, considerentele sociale și psihologice pentru elaborarea modelului fizico-matematic utilizat în analiză precum și modele de evacuare hidraulice. Se recurge la aplicarea datelor cunoscute din experimentele efectuate în cadrul tunelului Capra-Bâlea de pe Transfăgărășan în vederea simulării acestui scenariu de evacuare. În urma analizării complexe a acestor factori, se decide alegerea programului Pathfinder ca fiind optimă acestei situații. Se analizează exigențele minime ale programelor de simulare și programul ales. Se prezintă detaliat programul Pathfinder, cu descrierea programului și a utilizării acestuia, vizualizarea persoanelor care se evacuează, modelul de mișcare simulat de program, considerente asupra direcției de deplasare, a vitezei maxime, a accelerației, aspecte privind direcția agenților și evitarea ciocnirii. Se trece la simularea evacuării tunelului rutier considerat, cu precizarea grupului de persoane implementate în simulare. Se analizează rezultatele simulării. Astfel, este redată grafic evoluția evacuării pasagerilor în funcție de timpul scurs de la începerea simulării. S-a setat în program ca utilizatorii sa evite ciocnirile, inclusiv cu obiectele din jur, fapt ce a făcut posibilă evacuarea fără ca aceștia să intre în contact cu autoturismele, lucru care ar fi îngreunat sesizabil procesul de evacuare.
În capitolul 6, „Concluzii. Contribuții originale. Direcții de cercetare ulterioară” sunt reliefate cu prioritate concluziile generale privitoare la prevenirea și managementul situațiilor de urgență aferente tunelurilor rutiere și structura prezentei lucrări. Totodată se prezintă contribuțiile originale ale tezei de doctorat, respectându-se ordinea menționării acestora în cadrul lucrări. Plecând de la cele anterior menționate, se trasează noi direcții de cercetare care să îmbunătățească și să completeze aporturile aduse prin prezentul material de studiu.
,,Bibliografia” conține 166 titluri, din care 14 lucrări ale titularului tezei, în calitate de unic autor, prim autor sau coautor. Aceasta este ordonată alfabetic și este alcătuită din articole științifice, tratate, manuale, teze de doctorat, convenții internaționale, legi, regulamente și planuri de intervenție.
Alte precizări
Toate programele software și sistemele de operare folosite pe parcursul cercetării au avut licență de utilizare (Pyrosim, Pathfinder, Microsoft Office Word, Microsoft Office Excel, Microsoft Windows, Lutron etc.), iar experimentele au fost organizate și executate astfel încât să nu fie afectate sănătatea oamenilor și s-a avut în vedere permanent protecția mediului înconjurător.
CAPITOLUL 1
DESPRE TUNELURI. SITUAȚIILE DE URGENȚĂ ASOCIATE TUNELURILOR RUTIERE ȘI STADIUL ACTUAL AL PREOCUPĂRILOR ÎN DOMENIUL PREVENIRII ȘI MANAGEMENTULUI ACESTORA
INFORMAȚII GENERALE DESPRE TUNELURILE RUTIERE
1.1.1 Generalități. Scurte repere statistice și istorice
Tunelurile reprezintă o importantă parte a infrastructurii comunicaționale pe cale rutieră, feroviară sau la metrou.
Acestea asigură legături între zone dificile de traversat altfel, putându-se întinde pe lungimi considerabile și având capacitate de a susține un trafic constant mărit. Datorită sporirii continue a complexitătii tunelurilor, riscul producerii unei situații de urgență (incendiu fiind cea mai probabilă) și a generării de efecte negative este foarte mare.
Ultimii 15-20 de ani au cunoscut o creștere exponențială în ceea ce privește construcția atât a tunelurilor rutiere, cât și a celor feroviare. De exemplu, dacă în 1995 Shanghai nu avea un sistem de metrou, la sfârșitul anului 2007 orașul deținea o rețea însumând 227 de km și 161 de stații, deși nu întreg sistemul este subteran [62, 89].
Mergând în pas cu evoluția construcției acestora, un exemplu pozitiv în acest sens este constituit de tunelul ce leagă Franța de Anglia, proiect ce a necesitat un volum de muncă experimentală și practică foarte consistent. În același timp însă, deși multe tuneluri sunt încă în faza de proiect sau de construcție, ultimii ani au cunoscut un număr însemnat de incendii majore. În 28 octombrie 1995, incendiul de la metrou in Azerbajan s-a soldat cu moartea a 300 de oameni. În 1996, un alt incendiu a avut loc în tunelul ce leagă Anglia de Franța, implicat fiind un tren de marfă ce transporta vehicule grele. Deși nu au existat decese, incendiul s-a manifestat ore în șir, cauzând multiple daune vechiculelor transportate și infrastructurii. Incendiul din tunelul Mont-Blanc este unul notabil, însă au avut loc și alte asemenea evenimente recente, în 2003 în Korea de Sud pierind 189 de oameni, iar exemplele pot continua [89].
În același timp a existat o creștere privind utilizarea tehnicilor de evaluare a riscului, deși fără o uniformizare la nivel mondial cu privire la ce presupune aceasta. Totodată marile companii de reasigurare impun adoptarea măsurilor de management al riscului încă din faza de proiectare a tunelurilor, cu impact major asupra construirii de noi tuneluri, putând afecta atât proiectarea cât și operativitatea acestora. Dacă din stadiul de proiect nu sunt adoptate măsuri corespunzătoare de securitate, asigurările nu vor accepta acoperirea riscurilor pentru tunelurile respective, iar acestea, fără asigurare, nu vor putea fi date în folosință. Se creează deci un cerc închis ce forțează constructorii să adopte aceste măsuri încă din stadii incipiente de proiectare.
Se impune necesitatea implementării unui sistem unitar, complex, uniform și acceptabil de adoptare a deciziilor și de evaluare a riscurilor, valabil în întreaga rețea rutieră trans-Europeană, conținând anumite puncte-cheie, publicate în raportul de specialitate al comisiei europene, în anul 2008 [83].
1.1.2. Clasificarea tunelurilor
În funcție de tipul căii de rulare deservite, tunelurile pot fi rutiere, feroviare sau utilizate la metrou. De precizat este că, pe lângă tipologia distinctă dată de tipul vehiculelor ce le tranzitează și natura constructivă, un aspect foarte important este dat de măsurile de securitate aferente fiecarui tip de tunel în parte, existând din acest punct de vedere un set de probleme specifice în strânsă legătura însă cu infrastructura, vehiculele și setul de reguli operaționale specifice fiecăruia dintre acestea [8].
Este de remarcat faptul că rata accidentelor, consecințele unui incendiu implicând un vehicul în tunel și modalitatea de intervenție în cazul unui astfel de eveniment nu sunt similare.
În vederea stabilirii unei comparații între cele 3 tipuri de tuneluri privind problematica securității la incendiu, nu vor fi luate în considerație evenimentele (incendiile) provocate intenționat de acțiunea omului (arson sau rea intenție).
Având ca scop stabilirea unui topic comparativ în legătură cu acest aspect comun privind securitatea la incendiu, organizațiile și structurile abilitate în domeniu au stabilit vizarea celor mai importante 5 puncte, astfel:
efectuarea de investigații vizând armonizarea orientărilor de securitate la incendiu;
date generale despre tuneluri;
locul ocupat de tuneluri în cadrul securității în ceea ce privește operativitatea generală pentru cele 3 tipuri de transport;
natura traficului și potențiale incendii;
abordarea globală a intervenției la incendiu.
Tunelurile rutiere
În tabelul 1.1., conform UNECE (United Nations Economics Comission for Europe), acolo unde s-au putut înregistra date de acest tip, realizat în anul 2001, s-au stabilit, în ordinea descrescătoare a criteriilor, pentru fiecare țară numărul total de tuneluri rutiere, lungimea cumulată a acestora precum și traficul mediu înregistrat în decursul unei zile.
Tabelul 1.1.
Situația tunelurilor rutiere în principalele țări europene. Estimare realizată de UNECE în 2001
Reiese din tabelul anterior faptul că majoritatea tunelurilor lungi se regăsesc în țările predominant montane, precum Norvegia, Italia sau Japonia. Densitatea traficului variază semnificativ astfel că primele 6 țări în acest top sunt Italia, Franța, Elveția, Germania, Austria și Norvegia [116].
1.1.4. Specificații tehnice minime
În general, un tunel rutier reprezintă un pasaj acoperit situat pe un itinerar rutier pe unde urmează să treacă automobile și camioane.
El constituie un punct singular și important de pe acest itinerar și se poate găsi pe o autostradă sau drum național, la câmpie sau munte [8, 120].
Caracteristicile principale sunt:
principiul de construire: tunel săpat sau tranșee acoperite;
profilul transversal: rectangular, circular sau curbat;
lungime: distanțe între porțile de intrare –ieșire;
secțiune transversală: dimensiuni și suprafețe;
profilul longitudinal: pantă ascendentă sau descendentă;
altitudine;
sensuri de circulație: unidirecțional sau bidirecțional;
număr de căi de circulație pe sens;
trafic prevăzut.
Figura 1.1 prezintă două cadre ale unor soluții și dotări constructive aparținând diverselor tipuri de tuneluri rutiere.
b)
Figura 1.1. a) Tronson curbat al unui tunel rutier luminat, cu sensuri de mers delimitate b) tunel cu trotuar pentru pietoni, pe întreaga lungime a acestuia (San Francisco)
1.1.5. Considerente generale de trafic și circulație
Cunoașterea principalelor caracteristici privind traficul este necesară pentru a fixa, spre exemplu, necesarul de ventilare care poate fi estimat precis pe baza acestora:
circulație fluidă: numărul de automobile „x” și de camioane „y” pentru o viteză de referință cuprinsă între 40 și 80 km/h;
circulație congestionată: „x” și „y” pentru o viteză cuprinsă între 5 și 15 km/h;
circulație oprită: numărul maxim de automobile, camioane și autobuze pe 1 km de cale în număr total de autovehicule/km.
Tabelul 1.2.
Exemple de trafic
Parametrii utilizați pentru a caracteriza un trafic în tunel rutier sunt următorii:
debit: D în [număr de autovehicule/km, cale] este debitul orar instantaneu de vehicule, calculat pe baza unui interval de 3 minute raportat la oră;
viteza: v în [km/h] este viteza de circulație în tunel și pe calea de circulație considerată (viteza medie);
concentrație: C în număr total de autovehicule/km,cale este numărul de autovehicule prezente pe 1 km de cale.
Acești parametrii pot fi controlați în ceea ce privește distanța calculată între vehicule.
Eventual aceste distanțe pot rămâne în discuție ca un indicator de bază pentru calculul ventilării [8].
Regimurile de trafic se pot considera cele din tabelul 1.2.
1.2. POLUAREA CARACTERISTICĂ TUNELURILOR RUTIERE
Într-un tunel rutier ce nu comunică cu atmosfera exterioară decât prin cele două extremități ale sale se formează zone cu acumulare a gazelor de eșapament.
Printre numeroasele elemente componente ale gazelor de eșapament, cele mai nocive și periculoase pentru sănătatea utilizatorilor sunt monoxidul de carbon (CO), monoxidul de azot (NO) și fumurile, toate emise în diferite cantități în funcție de tipul autovehiculului.
1.2.1 Monoxidul de carbon (CO)
Monoxidul de carbon este unul din componenții foarte toxici, motiv pentru care proiectanții trebuie să țină seama de concentrația acestuia (alegerea scenariului cel mai defavorabil) în alegerea sistemului de ventilare. Modul în care oamenii sunt afectați de concentrația de CO reiese din cifrele de mai jos
Proporția de hemoglobină saturată de CO:
0–20% fără simptome;
25–30% dureri de cap;
35–40% amețeli;
>40% confuzii mentale.
În acest sens, este ilustrativă Diagrama lui May din figura 1.2.
Figura 1.2. Diagrama lui May
Din figură reiese ca nivelul maxim admisibil al concentrației de CO nu poate depăși valoarea de 150 ppm (ppm= particule pe milion de volum) [120].
Tabelul 1.3.
Valori de poluare pentru CO
Din considerente de securitate, în vederea păstrării unei atmosfere cât mai curată de toate mirosurile, concentrația de CO trebuie menținută între 100-200 ppm. În circumstanțe excepționale nivelul vaporilor poate fi cuprins între 200-250 ppm, conform tabelului 1.3.
1.2.2. Monxidul de azot (NO)
Practica uzuală în diverse țări dezvoltate are la bază evaluarea impactului poluării aerului din tunel în funcție de nivelurile de NO2 pe termen scurt și lung. NOx produs de vehicule are o componentă principală, NO, care se oxidează în atmosfera cu NO2 un produs mai toxic (bioxidul de azot). Foarte importante în acest caz sunt efectele directe asupra mediului înconjurător, motiv pentru care acestea trebuiesc evaluate, fiind nevoie de unități de greutate care sunt dependente de condiții atmosferice.
Valorile medii sunt următoarele:
1m3NO = 1,2kg; 1ppmNO = 1,2 mg/m3;
1m3NO2=1,9kg; 1ppmNO2 = 1,9 mg/ m3.
Concentrația limită admisibilă de NO este de 25 ppm (30 mg/m3). Nivelul concentrației de NO nu determină cerințele de aer proaspăt dintr-un tunel.
1.2.3. Fumul
Ca rezultat al gazelor de eșapament, fumurile sunt emise în mod special de motoarele Diesel. Acestea au ca efect diminuarea transparenței aerului interior și reducerea vizibilității.
Tabelul 1.4.
Nivelul maxim admisibil al emisiilor de fum
Concentrația de fum, tradusă ca opacitate în tunel, nu trebuie să depășească un maxim admisibil Km, menit să asigure o distanță de vizibilitate superioară distanței de oprire a vehiculelor, exceptând cazul în care există o circulație congestionată, unde criteriul de confort implică valori mai mici decât criteriul de securitate, câteva dintre valorile relevante fiind cuprinse în tabelul 1.4.
1.2.4. Emisiile
1.2.4.1. Emisiile de monoxid de carbon (CO) de la autoturisme
Valorile de bază ale emisiilor de CO sunt fixate pentru autovehicule cu masa medie de 1 t, rulînd cu o viteză de 60 km/h pe o rută plană (înclinație = 0) și o altitudine la nivelul mării (altitudine = 0 m). Valorile de bază ale CO pot fi corectate prin următorii factori de influență
factorul de viteză: fv (figura 1.3);
factorul de înclinație: fi (figura 1.4.);
factorul de altitudine: fh (figura 1.5).
1.2.4.2. Emisiile de CO de la camioane și autobuze
Pentru stabilirea acestui tip de emisii, se pot lua în calcul următoarele:
pentru motoarele Diesel: se pot considera aceleași valori și aceiași factori de influență ca pentru automobilele cu benzină;
pentru motoarele cu benzină: un camion sau autobuz având sarcina „m” tone [26, 46].
Tabelul 1.5.
Emisii de bază: CO, NO pentru autoturisme
În tabelul 1.5. sunt redate, din punct de vedere legislativ, valorile uzuale ale emisiilor de bază pentru autoturisme, inclusiv pentru motoare Diesel.
1.2.4.3. Emisiile de NO la camioane și autobuze
Valorile de bază sunt date în tabelul 1.6., acestea fiind stabilite în funcție de masa vehiculului (m”= 5; 20; 40 t) rulând cu o viteză v = 60 km/h, pe o rută plană (inclinație = 0 %) și la nivelul marii (altitudine = 0).
Valorile de bază pentru NO pot fi corectate cu factorii care influențează degajarea de NO:
factorul de viteză: fv (figura. 1.3);
factorul de înclinație: fi (figura 1.4);
factorul de altitudine: fh (figura 1.5).
1.2.4.4. Emisiile de fum de la camioane si autobuze (motoare Diesel)
Valorile de bază de emisii de fum sunt date în tabelul 1.6. Aceste valori sunt date în funcție de masă, viteza vehiculului, pe o rută plană, la nivelul mării.
Figura 1.3. Factorul de viteză fv Figura 1.4. Factorul de înclinare fi
Figura 1.5. Factorul de altitudine fh
Tabelul 1.6.
Emisii de bază: fum, NO pentru autobuze și camioane
Aceste valori vor fi corectate cu factorii de viteză și înclinare, în conformitate cu figurile 1.3 și 1.4 și de altitudine, figura 1.5.
1.3. SITUAȚII DE URGENȚĂ ASOCIABILE TUNELURILOR RUTIERE
Este cunoscut faptul că transportul pe cale rutieră este la nivel mondial cel mai nesigur. Riscurile prezente sunt unele specifice, date de caracteristicile constructive și de regimul de utilizare al acestora.
Ținând cont de faptul că tunelurile rutiere sunt traversate de autovechicule utilizând motoare cu combustie internă, de la câțiva litri până la câteva tone (în cazul camioanelor destinate transportului de mărfuri petroliere), rezultă o sarcină termică ridicată ce traversează acest tip de tuneluri. Totodată, un autovehicul, indiferent de nivelul tehnologic la care este construit, conține toate elementele care pot iniția și/sau întreține un incendiu părți încinse ale motorului și instalațiilor auxiliare, frâne care pot fi supraîncălzite datorită utilizării excesive sau defecțiunilor, rezerva de carburant, instalație de pompare și injecție a combustibilului, circuitele electrice, însemnate cantități de plastic și tapițerie. Se menționează și faptul că, începând cu vechiculele de mare tonaj și extinzându-se la majoritatea motoarelor moderne, inclusiv cele pe benzină, este utilizată tehnologia turbo-compresoarelor, a catalizatoarelor și altor instalații de reducere a noxelor, care lucrează la temperaturi mult mai înalte decât în trecut. De notat este și faptul că nu toti producătorii auto adoptă cele mai înalte standarde în domeniu când vine vorba de securitatea la incendiu.
Majoritatea tunelurilor sunt destinate, de regulă unui singur tip de autovechicule în tranzit, cum ar fi cele de pasageri (autoturisme), sau alte mașini reduse ca dimensiune, însă astăzi cele mai multe tuneluri au devenit mijloc de tranzit pentru un domeniu din ce în ce mai vast al unui trafic numeros și complex. Exceptând camioanele destinate transportului de mărfuri periculoae, ale căror acces în tuneluri este strict controlat (interzis sau autorizat numai în anumite condiții), accesul tuturor celorlalte vehicule este liber.
Luând în calcul și camioanele, acest liber acces conduce inevitabil la o largă varietate de sarcini calorice provenind din încărcături neinflamabile sau greu inflamabile până la cele mai inflamabile (plastic, lemn). Asemenea încărcături sunt astfel necunoscute de către operatori la momentul incendiului.
Pentru exemplu, rata eliberării de căldură (HRR) poate fi de la 2 la 100, uneori chiar 200 MW pentru un singur autovehicul.
Din moment ce sursa incendiului poate fi atât în interiorul unui autourism cât și al unui camion, aprinderea unui camion este deci riscul major într-un tunel, putând duce la un dezastru.
S-a reargumentat astfel faptul că incendiul reprezintă riscul cel mai mare existent într-un tunel rutier.
Totdată, deși mai mici, există și alte riscuri care pot fi asociate tunelurilor rutiere, astfel:
riscul de prăbușire sub stânca săpată, a propriei greutăți, în caz de cutremur sau alunecări de teren – se cunosc rare cazuri;
riscul de surpare, detaliat în figura 1.6;
riscul de infiltrație sau inundare, dat de pătrunderea apei prin stâncă sau prin intrările tunelului, în cazul în care nivelul acesteia crește peste cel al tunelului, așa cum reiese din figura 1.7;
riscul de avalanșă, enumerat în figura 1.8;
riscul de blocare a circulației;
riscul gabaritului redus pe înălțime/lățime;
riscul unui nivel de zgomot ridicat datorită traficului sau unor lucrări de amenajare/întreținere.
Figura 1.6. Tunelul parcului Brooklyn Battery (New York) inundat în urma uraganului Sandy, 30 octombrie 2012
Figura 1.7. Autostradă prabușită exact în tunelul de dedesubt, aflat în construcție, pentru viitorul metrou în localitatea Hangzhou din China, noiembrie 2008 – aproximativ 20 de autoturisme au căzut atunci în acea groapă
Figura 1.8. Risc de avalanșă și înzăpezire într-un tunel de pe Transfăgărășan
Prezentul capitol nu epuizează toate riscurile posibile din cadrul unui tunel rutier, ci le evidențiază pe cele mai importante, în ordinea descrescătoare a frecvenței și a daunelor provocate de acestea.
1.4. STADIUL ACTUAL AL TUNELURILOR RUTIERE ÎN ROMÂNIA ȘI STRĂINĂTATE
1.4.1. Stadiul actual al tunelurilor rutiere în România
Țara noastră numără în prezent 9 tuneluri rutiere, cu o lungime cumulată de numai 1,6 Km, în ciuda faptului că este o țară traversată de munți, care ar justifica accentuat prezența tunelurilor. Prin comparație, Ungaria, care este o țară predominant de câmpie, însumează de 2 ori mai multi km de tuneluri rutiere.
În ultimii 20 de ani, în România s-a construit un singur tunel rutier, cel de pe Cheile Bicazului, cu o lungime puțin peste 150 m, prin urmare istoricul acestora nefiind deloc unul recent. Previziunile construirii următorului tunel sunt rezervate anului 2013, acesta urmând sa fie amplasat pe o autostradă, pe traseul ce leagă Orăștie de Sibiu.
Tunelurile rutiere din România sunt foarte scurte, țara noastră fiind printre ultimele din lume la capitolul acesta, lucru anormal, dat fiind faptul că este traversată de Munții Carpați pe o lungime considerabilă.
În calea construirii de noi tuneluri rutiere stau mai mulți factori legați de filiera constructivă și birocratică aferentă acesteia, persistând încă percepția greșită legată de costul ridicat al acestora.
S-au avut până acum numai inițiative legate de construirea noilor autostrăzi, poduri sau pasaje, nefiind luate în calcul și construirea de noi tuneluri.
Actualmente, cel mai lung tunel de la noi din țară este Capra-Bâlea, situat pe Transfăgărășan, care se întinde pe o distanță de 884 m, fiind construit în 1972, pentru a cărui realizare au fost săpați 41 000 metri cubi de piatră, utilizându-se 20 de tone de dinamită,
3 500 tone ciment, 90 tone oțel-beton. Cea mai mare parte a acestui tunel este in continuare necăptușită, însă reabilitarea acestuia nu constituie momentan o urgență, dat fiind că intervalul destinat traficului pe Transfăgărășan este limitat la doar 4 luni pe an (1 iulie-1 noiembrie), conform figurii 1.9.
Figura 1.9. Tunelul Capra Bălea, Transfăgărășan
Necesitatea construirii de noi tuneluri este cu atât mai evidentă cu cât tronsoanele dificile nu au fost încă abordate, așa cum este cazul traseului Comarnic-Brașov sau Sibiu-Râmnicu-Vâlcea, unde se estimează că vor fi cel puțin 5 tuneluri construite.
1.4.2. Stadiul actual al tunelurilor rutiere pe plan internațional.
Așa cum reiese și din tabelul 1.1, există țări (în special în Europa) puternic dezvoltat în ceea ce privește infrastructura rutieră bazată pe tuneluri. Ungaria, prin comparație, are numai 4 tuneluri (de 2 ori mai putine ca număr decât avem noi), însă lungimea cumulată a acestora este dublă față de lungimea totală a tunelurilor din țara noastră (3,3 km).
În Grecia, de exemplu, 30% din lungimea totală a autostrăzilor din nordul țării este reprezentată de tuneluri, iar Cehia are de 10 ori mai multe tuneluri decât noi.
Date fiind densitatea și traficul aferent tunelurilor rutiere din alte țări, se remarcă necesitatea corelării măsurilor de securitate la incendiu (dar nu numai) ale acestora, în deplină concordanță cu trăsăturile constructive, traficul proiectat a fi suportat, zona unde este amplasat [62].
Figura 1.10. Tunelul Laerdal, Norvegia – între orașele Oslo și Bergen
În figura 1.10 este redat interiorul tunelului Laerdal din Norvegia, cel mai lung tunel din lume (24, 5 km), ce leagă orașele Oslo de Bergen. Acesta este prevăzut cu măsuri de protecție la incendiu active (sistem de desfumare, sprinklere și hidranți) și pasive (ieșiri auxiliare pentru pietoni și spații de siguranță presurizate).
1.5. STADIUL ACTUAL AL PREOCUPĂRILOR ÎN DOMENIU PRIVIND PREVENIREA ȘI MANAGEMENTUL SITUAȚIILOR DE URGENȚĂ DIN TUNELURILE RUTIERE
1.5.1. Legistație aplicabilă domeniului
Directiva 2004/54/CE/29.04.2004 impune cerințe minime de securitate și organizatorice în ceea ce privește tunelurile rutiere, general valabile rețelei rutiere transeuropene de tuneluri, și anume:
măsurile de siguranță ar trebui să permită persoanelor implicate în incidente să se salveze, să permită utilizatorilor de drumuri să acționeze imediat, astfel încât să prevină consecințe mai grave, să asigure acțiunea eficientă a serviciilor de urgență, să protejeze mediul și să limiteze daunele materiale;
tunelurile cu o lungime mai mare de 500 m reprezintă o structura importantă de tranziție, urmând a se supune obligatoriu prezentelor măsuri;
în toate tunelurile cu lungimea de peste 1 000 m, înainte de intrări se instalează semafoare pentru dirijarea circulației, astfel încât tunelul să poată fi închis în situații de urgență. Pentru a se asigura respectarea instrucțiunilor pot fi instalate și mijloace suplimentare, cum ar barierele și indicatoarele cu mesaj variabil;
în interiorul tunelurilor cu lungimea de peste 3 000 m, cu centru de control și un volum al traficului mai mare de 2 000 vehicule pe bandă de circulație, se recomandă instalarea unor echipamente de oprire a vehiculelor în situații de urgență, la intervale de maximum 1 000 m. Aceste echipamente constau din semafoare pentru dirijarea circulației și, posibil, alte mijloace suplimentare, cum ar fi difuzoare, indicatoare cu mesaj variabil și bariere;
iluminatul este asigurat astfel încât să acopere o distanță minimă în vederea evacuării sau a unei avarii la sistemul de iluminat electric;
ventilația trebuie să țină cont de poluarea emisă de vehiculele rutiere în condiții de trafic normal și la oră de vârf, precum și a căldurii și fumului în caz de accident;
pentru ieșiri de urgență, se va avea in vedere o distanță de maxim 500 m între ele.
În analiza măsurilor de siguranță, se iau în considerare:
hidranții se amplasează la gurile de intrare ale tunelurilor și în interiorul acestora, la distanțe de 250 m;
amplasarea sistemelor radio pentru tunelruile mai lungi de 1 000 m și cu mai mult de 2 000 vehicule pe banda de circulație, în vederea utilizării de către serviciile de urgență.
Adoptarea măsurilor mai ține cont și de următorii factori:
lungimea tunelului;
numărul de galerii;
numărul de benzi de circulație;
geometria profilului transversal;
traseul profilului longitudinal și traseul în plan;
tipul de construcție;
traficul unidirecțional sau bidirecțional;
volumul traficului pentru fiecare galerie (inclusiv distribuția temporală);
riscul de congestie (zilnic sau sezonier);
timpul de acces pentru serviciile de urgență;
prezența și procentajul vehiculelor grele pentru transportul de mărfuri;
prezența și procentajul traficului de mărfuri periculoase, precum și tipul de mărfuri periculoase transportate;
caracteristicile drumurilor de acces;
lățimea benzii de circulație;
aspecte privind viteza;
mediul geografic și meteorologic [47].
1.5.2. Măsurători efectuate la autoturisme
Literatura de specialitate detaliază numeroase valori ale ratelor eliberărilor de căldură (HRR) obținute în urma a 3 teste de laborator la scară normală, utilizând autoturisme fabricate în ultima parte a anilor 1970. Valoara calorifică totală înregistrată a mașinilor testate a atins valoarea de 4 GJ, în cazul testelor efectuate de Mangs și Keski-Rahkonen [34, 51].
Testul efectuat de Steinert în cadrul proiectului EUREKA a prezentat o valoare a HRR de 7 GJ pentru un o mașină Renault Espace fabricat în 1988. În cadrul unor teste repetate țînănd cont și de pasageri au fost înregistrate valori de la 5,6 MW la 9 MW, unul dintre testele la scară reală fiind vizibil în figurile 1.11 și 1.12 [60, 61].
Alte teste efectuate pe un autoturism marca Austin Maestro din 1982 și a unui Citroen BX din 1986 s-a estimat o valoare HRR de aproximativ 5 GJ, însă aceasta a fost mai greu stabilită în condițiile extincției incendiului în urma exploziei rezervorului de combustibil.
În cadrul unor teste efectuate de către Joyeux pe un parc s-au măsurat 10 valori ale HRR (heat release rate), pentru un autovehicul sau simultan pentru 2 autovehicule fabricație anii 1990, acestea oscilând între 2,1 GJ și 8,9 GJ, valori aproape duble față de cele măsurate pentru autovehiculele anilor 1 980 [69, 71].
Date recente ale HRR-ului obținute în urma unui test în tunel cu 2 mașini identice (Opel Kadett), anul 1 990, conținând 25-30 litri de benzină în rezervor, au fost luate în calcul cu sau fără sistem de ventilare în uz. Neținând cont de ventilație s-a măsurat o valoare maximă HRR de 4,7 MW, după 11,5 minute de testare iar cu sistemul de ventilare la o viteză de 6 m/s a aerului circulat, în 2 trepte s-au obținut 3 MW după 13 minute respectiv 4,6 MW după 37 de minute de testare. Un fapt foarte interesant a fost acela că sistemul de ventilare a făcut foarte dificilă propagarea incendiului în sus, către cabină.
a) b)
Figura 1.11. Incendierea unui Sedan de 2 000 c.c., din timpul testărilor
a) momentul incendierii b) stadiul arderii după 20 minute de la incendiere
a) b)
Figura 1.12. Incendierea unui Sedan de 3 000 c.c., din timpul testărilor
a) la 20 de minute de la momentul incendierii
b) stadiul arderii după 40 minute de la incendiere
Prin urmare, valoarea HRR pentru o singur autoturism de pasageri variază între 1,5 si 8 MW, cu o medie maximă de 5 MW. Pentru 2 mașini implicate, se observă o valoare de 3,5 până la 9 MW. Practic HRR crește liniar cu valoarea calorifică a autoturismelor implicate în incendiu. Testele efectuate denotă o creștere cu aproximativ 0,7 MW/GJ, constatare interesantă din moment ce un studiu francez a arătat o creștere a valorii calorifice în funcție de anul de fabricație, astfel că mașinile noi sunt mai încărcate calorific decât cele vechi, lucru de care proiectanții tunelurilor trebuie sa țină cont în proiectarea acestora [68].
1.5.3. Măsurători efectuate la autobuze
Tot în cadrul proiectului EUREKA de efectuare a testelor în serie s-a utilizat un autobuz de școală, cu o vechime de 25-30 de ani, prevăzut cu 40 locuri. Caroseria acestuia era confecționată din fibră de sticlă, astfel că la cei 41 GJ ai vehiculului s-a măsurat, din mai multe puncte, un HRR de 30 MW.
Un incendiu în tunelul Ekeberg, Oslo, Norvegia s-a dezvoltat asemănător testului anterior menționat, implicând un autobuz cu o vechime de 3 luni. O simulare CFD (Computational Fluid Dynamics), s-a estimat o valoare HRR de 36 MW în 6 minute, menținând apoi valoarea timp de încă 4 minute și apoi coborând la 1 MW în decurs de 12,5 minute. Diferența între cele 2 autobuze a constat în modul lor de construcție, astfel că în ultimul caz, autobuzul era făcut din oțel, cu ferestre largi, flăcările ieșind prin acestea. Autobuzul de școală a ars aproape în totalitate, inlcusiv sub nivelul ferestrelor.
Datele implicând autobuze sunt foarte importante datorită evenimentelor înregistrate și a faptului că în cazul unui astfel de eveniment decesele sunt multiple, putând include mai mult de 50 persoane în cadrul aceluiași autovehicul. În contrast, spre exemplu, numărul ridicat de decese din tunelul Mont Blanc s-a datorat multitudinii de autovehicule. Există însă și tuneluri majoritar traversate de autobuze, în zonele turistice, de exemplu. În conceptul proiectării securității la incendiu, autobuzele diferă în funcție de scopul utilizării lor. Cele urbane au un grad redus de confort, prin urmare mai puține materiale combustibile sunt disponibile. Autocarele, de exemplu, utilizate pentru călătorii lungi și care au un grad sporit de confort, au mai multe materiale combustibile (tapițerie, TV, video, frigidere, electronice) [66, 68].
1.5.4. Măsurători efectuate la camioane (vehicule de mare tonaj)
Date fiind evenimentele petrecute în tuneluri, s-au făcut câteva teste incluzând camioane, ale căror rezultate se pot sumariza astfel:
Pentru un camion încărcat cu 2,2 tone de paleți de lemn, 310 kg de plastic si 330 kg de cauciuc, s-a înregistrat o valoare calorifică de 65 GJ.
Un test cu un camion DAF 310 ATI a fost efectuat în cadrul testelor în serie EUREKA. Încărcat cu 2 tone de mobilă a măsurat o valoare calorifică de 87 GJ. Un scaun din interior a fost aprins, iar după 9 minute un geam s-a spart și focul a ajuns la nivelul mobilei. După aceasta, la 2 minute, întreg spațiu a fost cuprins de flăcări. Rata eliberării de căldură (HRR) a fost măsurată ținând cont de emisiile de CO2 și CO. Acest lucru s-a efectuat considerând sistemul de ventilare ce asigura o viteză a aerului de 6 m/s timp de 13,5 minute, apoi ventilarorul a fost oprit. S-a cauzat astfel o reducere drastică a HRR, după care ventilatorul a fost repornit cu o viteză de 16,5 m/s, HRR crescând la 128 MW.
Figura 1.13. reprezinta grafic HRR in cazul a 4 vechicule de mare tonaj cu caracteristici diferite (Runehamar test în 2003), astfel:
primul transportand paleti de lemn si cântărind 11 tone;
al 2-lea transportand paleti de lemn si cântărind 6,9 tone;
al 3-lea transportand mobilă și materiale plastice, cântărind 8,5 tone;
al 4-lea transportând carton și materiale din hârtie, cântărind 3 tone.
Figura 1.13. HRR în cazul a 4 teste efectuate pe vechicule de mare tonaj, în cadrul testului de la Runehamar (Norvegia), de Institutul Național Suedez de Testare și Cercetare, pentru 4 camioane cu încărcături diferite
Figura 1.14. Distributia temperaturii crescânde, în funcție de distanța de focar, pentru diferite valori HRR
Cu cat sunt mai lungi si dau posibilitatea sustinerii unui trafic marit, cu atat sansa de producere a unui incendiu cu HRR crescută este mai mare, intrucat densitatea de sarcină termică susținută de tunel este mai mare. În figura 1.14. se poate observa distribuția crescândă a temperaturii față de focar pentru diferite valori ale HRR [67, 89].
1.5.5.Influența ventilației asupra evoluției focului și asupra HRR
Conform testelor efectuate în tunelul al doilea Benelux (Runehamar, Norvegia), s-a ajuns la concluzia că rata de dezvoltare a incendiului în condițiile ventilației (4-6 m/s) este de aproximativ de 2 ori mai mare decât fără a folosi ventilația. Maximul căldurii degajate este de 1,5 ori mai mare. Totuși, testul Runehamar nu a arătat o creștere semnificativă a HRR în cazul unei ventilări de până la 2,5 m/s.
1.5.6. Principalele obiective propuse privind securitatea la incendiu
Rezistența structurii unei tunel la incendiu este abilitatea lui de a își susține funcțiile în timpul și după un incendiu, vizând ca aspecte principale;
evitarea avarierii structurii de rezistență a tunelului;
evitarea reținerii apei;
evitarea avarierilor clădirilor învecinate;
întârzierea exfolierii betonului și stricarea echipamentelor tunelului până ce toată lumea este evacuată din tunel;
menținerea celui mai mic risc de rănire a utilizatorilor în cazul unui incendiu;
evitarea unei întreruperi lungi a funcționalității tunelului;
evitarea costurilor mari de reparație;
minimizarea extinderii focului de-a lungul tunelului.
În anumite tuneluri, ventilarea și evacuarea s-au dovedit a avea un impact major asupra structurii tunelului. Obiectivele precise de acceptare a duratei ce precede prăbușirea componentelor structurii depind de consecințele acestei eventuale prăbușiri – cu cât acestea sunt mai mari, cu atât mai mari vor fi cerințele. Aceste cerințe vor depinde de:
tipul tunelului. În cazul unui tunel în imersie, șansele ca acesta să se prăbușească sunt mai mari decât ale unui tunel pentru care s-a săpat în rocă, însă testele efectuate au arătat că sunt mari șanse de prăbușire ale rocilor structurale ale tunelului în condiții de căldură intensă;
tipul structurii, în ideea în care dimensionarea structurii unei clădiri necesită mai mult efort decât în cazul unui tunel;
tipul traficului permis în tunel.
1.5.7. Principalele obiective ale țărilor din PIARC (Organizația Mondială a Rutelor)
1.5.7.1. Obiective și standarde pentru securitatea la incendiu valabile în Franța
Primul obiectiv este legat de evacuarea și protecția utilizatorilor, vizând:
în timpul necesar evacuării persoanelor, ventilarea să funcționeze și să nu existe prăbușiri ale elementelor tunelului;
timpul de evacuare a fost stabilit la tev = 60 min, pentru ieșiri ce duc direct către exterior, iar atunci când sunt folosite spații presurizate de siguranță, corespondentul acestuia este tsh = 120 min.
Al doilea obiectiv este să asigure intervenția și securitatea echipelor de intervenție:
în timpul operațiunilor de intervenție, nimic greu nu trebuie să cadă din tavan și ventilarea trebuie să funcționeze în parametri. După timpul de salvare, este posibil ca echipa de salvare să fie nevoită să părăsească zona incendiată;
trebuie asigurate căile de comunicare și intervenția promptă din ambele părți ale tunelului.
Al treilea obiectiv este protecția vecinătăților, astfel că în timpul incendiului, clădirile învecinate nu trebuie să fie afectate în nici un fel de transmiterea flăcărilor sau a căldurii sau de prăbușirea eventualelor părți ale tunelului
Ultimul obiectiv este unul de natură economică, ce trebuie să conțină o balanță de echilibru între costurile aferente implementării măsurilor de securitate și cele necesare reparațiilor ulterioare.
1.5.7.2. Obiective și standarde pentru securitatea la incendiu valabile în Germania
Normativele germane în vigoare impun din acest punct de vedere:
temperaturi ≤ 300 °C la structurile de rezistență;
fără daune consistente la structurile de rezistență;
fără daune de natură să afecteze funcționalitatea ulterioară a tunelului;
căile de evacuare trebuie să reziste timp de 90 de minute la incendiu.
1.5.7.3. Obiective și standarde pentru securitatea la incendiu valabile în Spania
În Spania cerințele trebuie specificate pentru fiecare tunel în parte din stadiu de construcție. Normativul aplicabil tunelurilor este cel de proiectare, execuție și exploatare pentru lucrări subterane destinate transportului de suprafață, ambele pentru tuneluri rutiere și feroviare.
Tunelurile se împart în 3 categorii, respectiv dacă sunt urbane sau nu precum și în funcție de lungime. Normativul oferă informații generale specifice fiecaărui tip de tunel.
Figura 1.15. – Cele mai recente 7 proiecte europene vizând securitatea la incendiu a tunelurilor
Nu se oferă informații privind influența ventilației în evoluția focului.
În figura 1.15 sunt detaliate 7 proiecte europente recente privint securitatea la incendiu a tunelurilor [65, 66, 70, 89].
1.6. CONCLUZII
Tunelurile rutiere reprezintă obiective strategice, de interes intern și internațional care, în contextul traficului crescând și al diversității tot mai mari a tipului de autovehicule ce le tranzitează, certifică încadrarea acestora într-o notă de certă actualitate.
Din aceste considerente, necesitatea utilizării tunelurilor fiind din ce in ce mai resimțită, s-a ajuns la concluzia că din cele 3 categorii de tuneluri (rutiere, feroviare, de metrou), tunelurile rutiere sunt cele mai expuse riscurilor, prin urmare studierea anumitor aspecte care țin de securitatea lor este foarte importantă.
Riscurile la care acestea sunt expuse sunt numeroase, însă riscul de incendiu este de departe cel mai mare, lucru dovedit de incidentele care au avut loc în tuneluri și varietatea factorilor care pot duce la apariția unui incendiu. Aceste aspecte vor fi în detaliu analizate pe parcursul capitolului următor.
În decursul capitolului prezent s-au abordat elemente generale și istorice despre tunelurile rutiere, anumite statistici și condiții generale și specifice impuse de diferite țări, precum și elemente inginerești care stau la baza proiectării, construcției și utilizării acestora.
În orice caz, conform statisticilor, rata de accidente din tuneluri este mult inferioară celei din șosele deschise, aceasta însumând 4-5 incendii la 1 000 000 vehicule/km.
Nu în ultimul rând s-au relatat câteva aspecte ale stadiului actual al măsurilor de securitate la incendiu, plecând de la legislația europeană în vigoare în domeniu, normele și metodologiile câtorva organisme internaționale ce au testat și cercetat problematica securității la incendiu a tunelurilor, stabilind o viziune de securitate operațională comună sau specifică fiecărei organizații.
Acest capitol constituie un preambul punerii în practică a obiectivelor lucrării, în ideea în care, plecând de la premiza aprofundării riscului de incendiu în tuneluri, se vor avea în vedere atât implicațiile legate de fenomenologia în sine cât și aspecte ale problematicii evacuării utilizatorilor surprinși de un astfel de eveniment.
Evoluția incendiului și evacuarea de personal sunt două fenomene independent studiate în cadrul legislației naționale, însă prin prezenta lucrare se propune aducerea lor împreună, conform normelor internaționale. Latura practică a acestei intenții devine evidentă datorită dublei implicații pe care un incendiu o are asupra utilizatorilor (indicatori de comportament nocivi, implicit necesitatea evacuării).
Studiul stadiului acual al preocupărilor în domeniu pe linie de situații de urgență precum și măsurile de securitate adoptate de autoritățile în cauză constituie aportul original adus în cadrul acestui capitol.
CAPITOLUL 2
PARTICULARITĂȚILE INCENDIILOR ÎN TUNELURILE RUTIERE ȘI ANALIZA RISCURILOR DERIVATE. ROLUL INGINERIEI SECURITĂȚII LA INCENDIU ȘI INSTRUMENTE APLICATIVE ALE ACESTEIA ÎN CAZUL TUNELURILOR RUTIERE
2.1. DESPRE INCENDII. GENERALITĂȚI, IMPLICAȚII, LIMITE, CONSECINȚE
2.1.1. Incendiile și implicațiile acestora
Încă din antichitate majoritatea oamenilor și chiar literatura de specialitate foloseau pentru acest fenomen noțiunea de foc și foarte rar pe cea de incendiu. Astăzi este familiară pentru a defini un astfel de fenomen nedorit, noțiunea de incendiu.
Legea privind apărarea împotriva incendiilor și Metodologia privind identificarea, evaluarea și controlul riscului de incendiu precum și alte surse de specialitate, definesc incendiul ca o „ ardere autoîntreținută, care se desfășoară fără control în timp și spațiu, care produce pierderi de vieți omenești și /sau pagube materiale și care necesită o intervenție organizată în scopul întreruperii procesului de ardere “
Normativul de siguranță la foc a construcțiilor definește incendiul ca un „ proces complex de ardere, cu evoluție necontrolată, datorat prezenței substanțelor combustibile și a surselor de aprindere, a cărui apariție și dezvoltare are efecte negative prin producerea de pierderi de vieți, pagube materiale etc. și care impune intervenția organizată pentru stingere“.
A defini un fenomen, cum este de exemplu incendiul, înseamnă a cunoaște forma exterioară a lucrurilor prin care se manifestă esența lor și care poate fi percepută direct prin organele senzoriale. Deci în a defini cât mai corect incendiul, trebuie să se țină seama de toate elementele care stau la baza acestuia, ca inițierea, dezvoltarea și de consecințele acestuia.
Aceste elemente pot fi exprimate succint prin:
existența combustibilului și acțiunea unei surse de aprindere;
inițierea și dezvoltarea unei arderi și scăparea ei de sub control;
producerea de pierderi de vieți omenești, financiare precum și poluarea mediului înconjurător.
Lipsind unul din aceste elemente, nu se poate spune că se are de-a face cu un incendiu.
Incendiul este o ardere inițiată de o cauză bine definită, cu sau fără voia omului, scăpată de sub control, în urma căreia se pot produce pierderi de vieți omenești, de bunuri materiale, poluarea mediului înconjurător.
Calitatea unui corp sau unei substanțe de a se putea aprinde ușor în aer, respectiv de a lua foc și a arde repede, se numește inflamabilitate. De regulă, substanțele inflamabile conțin mai ales carbon și hidrogen, oxidându-se cu ușurință și cu mare degajare de căldură.
În limbaj academic, prin inflamabil se determină oricare sistem fizico-chimic ce produce – la temperatură relativ moderată – vapori sau gaze care, împreună cu aerul atmosferic, pot constitui un amestec combustibil.
Substanțele (în general lichide, cu presiuni de vapori ridicate) care se transformă cu ușurință în vapori, la temperaturi și la presiuni obișnuite, se denumesc volatile. Așadar, volatilizarea este transformarea relativ rapidă a unei substanțe (lichide) în vapori, la temperatura și la presiunea obișnuite [80, 86].
2.1.2. Arderea, viteza de ardere
Fenomenul de combinare rapidă a unei substanțe cu oxigenul, însoțită de dezvoltare de căldură (întotdeauna) și, în mod obișnuit, de emisiune de lumină (flacără), se denumește ardere (sinonim combustie; pl. arderi; lat. ardere, ardens, ardent; lat. combustio, comburere; fr. combustion). Se remarcă, însă, că emisiunea de lumină (flacăra) nu de fiecare dată însoțește arderea ( oxidarea).
După caracterul reacției, de asemenea în funcție de viteza lor de propagare (inclusiv a flăcării), arderile se determină prin temperatura de aprindere, căldura de ardere, temperatura de ardere și viteza de propagare a flăcării, deosebindu-se:
arderea normală arderea obișnuită în spații deschise sau în focare, întotdeauna însoțită de flacără (arderea lemnului, cărbunilor, lichidelor combustibile etc.);
arderea lentă arderea, caracterizată printr-o viteză de reacție destul de mică
(ruginirea, putrezirea etc.), se produce la temperatură cu mult mai joasă decât cea corespunzătoare arderilor obișnuite, normale;
arderea mocnită arderea, privind nemijlocit focul, care este înăbușită, înfundată, fără flacără, care se desfășoară sub cenușă sau care este pe punctul de a înceta (focul corespunzător fiind pe punctul de a se stinge);
arderea rapidă arderea – în general de speța exploziei și detonației – care survine în incinte închise (camere, birouri, bucătării, tubulaturi, recipiente, rezervoare, aparate tehnologice, blocuri de motor etc.), cu viteze de propagare a flăcării – dependente nemijlocit de viteza de reacție – de ordinul a 1 000 … 4 000 m/s; arderea rapidă se poate amorsa și de către o ardere lentă, întotdeauna degajând căldură și lumină;
arderea completă cea în decursul căreia este constatată arderea în totalitate a substanței combustibile, rezultând atât produse de ardere (cu compoziție chimică simplă) care nu mai ard (dioxidul de carbon, vaporii de apă etc.), cât și produse de ardere (în cantități mici) care mai pot arde (monoxidul de carbon, anhidrida sulfuroasă etc.);
arderea incompletă cea în decursul căreia nu poate arde, în totalitate, amestecul format combustibil-aer, cantitatea de aer implicată fiind insuficientă, pe de o parte, sau în exces, pe de altă parte; concomitent cu produse rămase nearse (monoxidul de carbon, negrul de fum etc.), rezultă și produse de ardere mai variate, cu compoziție chimică complexă, adesea toxice (monoxidul de carbon, alcoolii, cetonele, aldehidele, acizii), capabile să ardă și, astfel, în contact cu aerul, să formeze amestecuri inflamabile – explozive;
arderea fără flacără arderea violentă, aproape completă, care este posibilă pe suprafețe refractare, poroase, incandescente, rezultând temperaturi deosebit de ridicate sau înalte.
Combustibilii, care sunt în general lichizi sau lichefiați și suficient de volatili, ce se folosesc ca sursă de energie pentru motoarele cu ardere internă (cu explozie), se denumesc carburanți. Oxigenul, amestecurile de oxigen cu alte gaze și substanțele ce conțin oxigen pe care-l eliberează pentru a se combina cu o altă substanță, astfel producând combustia și întreținând arderea acesteia din urmă, se denumesc – într-un singur concept – comburanți. Principalii comburanți sunt oxigenul (care este comburant, dar nu este combustibil carburant!), aerul și azotații.
2.1.3. Temperaturi de ardere
Cu cât temperatura de ardere este mai ridicată, cu atât se disipează mai multă căldură în mediul înconjurător și pericolul de dezvoltare a incendiului crește. Pe timpul procesului de ardere se formează produse de oxidare intermediare instabile, însă foarte active (atomi liberi, radicali, peroxizi etc.). Peroxizii cedează cu ușurință oxigenul care intră în reacție cu substanțele neoxidate.
Temperatura teoretică de ardere nu trebuie confundată cu temperatura flăcărilor sau a materialelor în stare de incandescență. Temperatura reală de ardere a unei substanțe în condițiile unui incendiu este întotdeauna mai joasă decât cea teoretică, deoarece arderea nu se face complet din cauza lipsei de oxigen din aer și există pierderi de căldură în mediul înconjurător. Temperatura din zona incendiului poate fi determinată prin măsurarea nemijlocită cu ajutorul unor aparate sau prin calcul analitic cu ajutorul unor relații matematice, prin apreciere după culoarea părților metalice încălzite în diferite zone ale focarului sau ale materialelor nearse topite. Ea variază la majoritatea substanțelor combustibile, în general, între 700 – 2 200 ºC. În practică însă aceste temperaturi sunt mai scăzute, diminuându-se valoarea lor cu aproximativ o treime din cea teoretică.
Evoluția temperaturii incendiului este determinată de căldura absorbită de produsele de ardere și de mediul înconjurător. Variațiile de temperatură ridicată fac posibilă o continuare și o propagare a incendiului produs, aducând cu sine pericolul de prăbușire a structurii, punând în primejdie viața oamenilor și creând dificultăți la stingerea incendiului. În tabelul 2.1. se prezintă câteva dintre temperaturile de ardere ale celor mai cunoscute materiale combstibile.
Tabelul 2.1.
Temperaturile de ardere maxime atinse de materialele combustibile
Temperaturile de ardere pe timpul incendiilor sunt direct influențate de puterea calorică a materialului combustibil care arde, de cantitatea de căldură rămasă în spațiul incendiat, precum și de modul cum se produce arderea – mai mult sau mai puțin completă.
2.1.4. Produse rezultate în urma arderii
Produsele de ardere și de descompunere care rezultă pe timpul incendiului sunt, în general, părți componente ale fumului, flăcări și o serie de gaze toxice.
Fumul ca produs vizibil al majorității produselor de ardere este format din particule nearse ale materialului care arde, din vapori și gaze – care dau un colorit caracteristic, miros și gust. Fumul degajat la incendii diferă în mare măsură, în ceea ce privește concentrația, aspectul și natura componenților. Astfel, el se poate prezenta ca o emanație slab colorată care conține produse de descompunere sau de condensare, ori sub forma unor nori negri încărcați cu funingine. La un incendiu normal nu se poate stabili exact procentul de masă combustibilă care se transformă în fum. Cantitatea de funingine care se formează în timpul unei arderi incomplete este variabilă și depinde de natura combustibilului, de mărimea focarului și de condițiile de ventilație. Este totuși puțin posibil ca această depunere să depășească 10 % din masa materialului ars.
În cazul incendiilor izbucnite în aer liber, produsele arderii complete se degajă în cantități mai mari decât cele din interior, iar produsele arderii incomplete sunt mai reduse. Compoziția fumului prezintă cea mai mare importanță pentru aprecierea situației, în cazul incendiilor izbucnite în interior.
Compoziția produselor arderii depinde de compoziția substanțelor aprinse și de condițiile arderii – arderea completă sau incompletă.
Produsele arderii incomplete deseori sunt toxice și iritante ceea ce îngreunează acțiunea pompierilor în operațiunile de salvare, stingere și de limitare a urmărilor incendiilor.
2.1.5. Transferul termic
Incendiul se propagă de-a lungul suprafeței diferitelor obiecte și structuri arhitectonice, apoi de la un obiect la altul, fie prin transmisia căldurii (radiație, convecție, conducție), fie prin deplasarea substanțelor deja aflate în combustie. Aceste procese nu sunt independente, ci se întrepătrund.
Propagarea arderii depinde de:
compoziția chimică și viteza de ardere a materialului aprins;
temperatura mediului înconjurător;
curenții de aer din atmosferă sau cei care se formează;
cantitatea de materiale combustibile supusă arderii (sarcina termică);
sursa potențială de aprindere;
configurația spațiului respectiv;
obstacolele întâlnite în cale.
Dintre factorii arătați mai sus un rol hotărâtor îl au: viteza de ardere și alimentarea cu aer. Dintre factorii care influențează viteza de propagare a arderii, pot fi menționați: factorii geometrici, încălzirea prealabilă a materialelor, natura materialelor și mecanismul propagării arderii [16, 17].
2.1.5.1. Transmiterea căldurii prin radiație
În cazul incendiilor, radiația este emisă mai ales în infraroșu, fracția vizibilă fiind redusă. Energia radiantă este absorbită de către corpul pe care ajunge, transformându-se în energie termică, iar restul se reflectă, realizându-se un transfer de căldură prin radiație.
Într-un incendiu pot fi distinse trei tipuri de corpuri radiante: combustibil solid în stare de aprindere, corpuri solide care nu ard dar sunt încălzite prin combustie de altele și flăcările prin particulele incandescente pe care le includ. Flăcările reducătoare și cele de difuzie, întâlnite des într-un incendiu, conțin numeroase corpuri absorbante și o mare cantitate de particule solide în suspensie, funingine și mai ales carbon.
Cunoașterea modului de transmitere a căldurii prezintă o importanță deosebită, pentru o bună securitate a servanților și a tehnicii de luptă. De asemenea, cunoscându-se posibilitățile de radiație ale flăcării, se poate stabili o distanță de amplasare a obiectivelor industriale, menită să excludă transmiterea flăcării la o clădire sau instalație învecinată.
2.1.5.2. Transmiterea căldurii prin conducție
Conducția termică este transportul direct al căldurii în interiorul aceluiași corp material, în masa căruia există diferențe de temperatură, sau în corpuri diferite, atunci când între acestea există contact și o diferență de temperatură.
Cunoașterea valorilor conductivității termice folosește pentru estimarea mărimii fenomenului de transfer termic în cazul incendiului, cât și pentru luarea de măsuri de prevenire prin utilizarea unor materiale de izolare termică sau cu propagare lentă a incendiului.
2.1.5.3. Transmiterea căldurii prin convecție
Convecția este procesul de transmitere a căldurii ce are loc datorită unui fluid în mișcare, care vehiculează energia termică spre zona cu temperatură mai scăzută.
În cazul incendiului, fluidul în mișcare este constituit din aer, gaze, vapori de debitare, precum și reziduurile gazoase ale arderii. Figura 2.1. reliefează modelul general al arderii care îndeplinește condițiile minime întreținerii oricărui tip de ardere.
Figura 2.1. Triunghiul arderii
În general procesul de ardere a materialelor combustibile are loc în fază gazoasă și mai puțin în fază solidă (ardere mocnită), după cum poate fi observat în figura 2.2:
Figura 2.2. Organigrama procesului de ardere
Organigrama generalizată a procesului de ardere cu detalierea transformării stărilor de agregare este prezentă în figura 2.2.
Curba generală a unui incendiu, incluzând toate fazele acestuia, se găsește în figura 2.3.
Figura 2.3. Evoluția incendiilor. Curba temperatură – durată a unui incendiu real
În funcție de tipul incendiului există curbele nominale de incendiu, conform figurii 2.4.
Figura 2.4. Curbele nominale de incendiu
2.1.6. Debitul de fum și gaze fierbinți evacuat din spațiul incendiat
Debitul de fum și gaze de ardere ce trece din spațiul incendiat spre caile de evacuare sau în spațiile învecinate, se determină în funcție de înălțimea la care se găsește deschiderea deasupra planului zonei neutre și de diferența de presiune (care la rândul ei este funcție de înălțime).
Debitul de fum și gaze fierbinți, Lg, în m3/s, evacuat prin deschideri mari (de exemplu, uși deschise), se determină cu relația
, (2.1)
în care este coeficientul de debit, b lățimea deschiderii în m, h înălțimea deschiderii dintre canatul superior al ușii și planul zonei neutre în m, Tg temperatura medie a gazelor arse, în K, iar Ta temperatura aerului înconjurător, în K.
Debitul de fum și gaze fierbinți, evacuat prin deschideri, se determină cu relația:
, (2.2)
în care A este aria secțiunii deschiderii în m2, este coeficientul de debit, p diferența de presiune în Pa iar densitatea în kg/m3.
În caz de incendiu într-o încăpere, evacuarea fumului și gazelor fierbinți și pătrunderea aerului proaspăt, se realizează, în principal, prin deschiderile practicate în pereți. În acest caz, înălțimea (cota) planului zonei neutre, se calculează cu relația :
, (2.3)
în care hzn este înălțimea (cota) planului zonei neutre față de pardoseala spațiului incendiat în m, hdi înălțimea inferioră a deschiderii față de pardoseala încăperii incendiate în m, hd este înălțimea deschiderii în m iar K este coeficient funcție de temperatura din spațiul incendiat.
2.2. RISCURI DERIVATE DIN INCENDII. LIMITE DE SUPORTABILITATE UMANE ȘI PRAGURILE LIMITĂ PENTRU SECURITATEA VIEȚII
2.2.1. Scurt istoric
La începutul secolului 21, populația Terei era de aproximativ 6 300 000 000 de persoane. Anual sunt raportate 7 000 000 – 8 000 000 de incendii în urma cărora se înregistrează 70 000 – 80 000 de persoane decedate și 500 000 – 800 000 de persoane rănite.
La începutul secolului 21, populația Europei era de aproximativ 700 000 000 de persoane. Anual sunt raportate 2 000 000 – 2 500 000 de incendii în urma cărora se înregistrează 20 000 – 25 000 de persoane decedate și 250 000 – 500 000 de persoane rănite [66].
În perioada 1995-2007 la nivel național s-au înregistrat 144 182 de incendii, în cadrul cărora și-au pierdut viața 2 708 de persoane, repartițiile pe ani putând fi observate în figurile 2.5 și 2.6.
Figura 2.5 Situația statistică a incendiilor raportate
pe teritoriul României în perioada 1995-2007
Figura 2.6. Situația statistică a victimelor (deceselor) înregistrate ca urmare
a incendiilor la nivel național în perioada 1995-2007
Expunerea asupra securității vieții umane include:
efectele termice (radiație, convecție);
produșii toxici de combustie (monoxid de carbon – CO, acid cianhidric – HCN,
acid clorhidric – HCl etc.) și concentrația de oxigen;
vizibilitatea (densitatea fumului comparată cu evacuarea în securitate).
Pentru un incendiu ce are loc într-un spațiu închis sunt două elemente principale de expunere. Primul element este căldura radiantă emisă de flacără sau de stratul de gaze fierbinți ce coboară. Celălalt este căldura emisă convectiv de la conul turbulent al arderii transferată prin fumul încălzit și gazele încălzite ce se mișcă și expandează în zonă. Următoarele tabele și figuri prezentate în acest capitol oferă date despre efectele expunerii la căldura radiantă și temperaturile convective [104].
2.2.2. Expunerea la căldura radiantă
În tabelul 2.2. sunt rezumate limitele de expunere la niveluri de căldură radiantă ale oamenilor.
Tabelul 2.2.
Limitele de expunere la căldură radiantă pentru organismul uman
În tabelul 2.3. sunt prezentate date privind expunerea la radiație termică pentru componentele unui sistem țintă (oameni și structuri) rezultate în urma unor cercetări efectuate în SUA, Marea Britanie și Țara Galilor.
Tabelul 2.3
Expunerea la radiație termică pentru componentele unui sistem țintă
Literatura de specialitate sugerează o limită de securitate pentru oamenii surprinși în interiorul structurilor expuși la fluxul radiant de la stratul de fum/gaze de ardere de 2,5 kW/m2 (aceasta corespunde unei temperaturi ale stratului superior de gaze de circa 200 oC).
2.2.3. Expunerea la căldura convectivă
În testele de incendiu făcute de Consiliul Național de Cercetări al Canadei (NRCC), (149 oC) a fost aleasă ca temperatura maximă a aerului respirat pentru a trăi. O temperatură așa de mare poate fi suportată numai o perioadă scurtă și fără umiditate. Cercetările au indicat efectele nivelurilor mari de temperatură asupra omului în legătură cu stabilirea limitelor de securitate la incendii la scară naturală la cinci clădiri rezidențiale având următoarele valori:
127 oC – respirație dificilă;
149 oC – respirație pe gură foarte dificilă, temperatură limită pentru salvare;
160 oC – durere rapidă, insuportabilă cu piele uscată;
182 oC – răniri ireversibile în 30 secunde;
204 oC – timp de toleranță al sistemului respirator mai mic de patru minute cu
pielea udă.
Unii cercetători afirmă că temperatura maximă a aerului ce poate fi tolerată de tractul respirator uman este de aproximativ 203 oC.
2.2.4. Efectele reducerii concentrației de oxigen
Tabelul 2.4. oferă date despre efectele lipsei de oxigen asupra oamenilor, care este un criteriu important în evaluarea expunerii la incendiu într-un spațiu închis.
Tabelul 2.4.
Efectele reducerii concentrației de oxigen asupra oamenilor
Tabelul 2.5.
Cele patru stagii ale axfisierii
În tabelul 2.5 se expun reacțiile organismului la scăderea procentuală a oxigenului din aer, de la primele semne până la decesul persoanei în cauză.
2.2.5. Produsele toxice de combustie
Rănirea sau decesul poate rezulta și ca urmare a acțiunii din produsele toxice de combustie rezultate în urma arderii. Unele gaze în cauză includ monoxidul de carbon (CO), acid cianhidric (HCN) și acid clorhidric (HCl).
Dovezile par a sugera o regulă simplă pentru estimarea dozelor de CO probabile de a fi periculoase pentru oameni. Orice expunere în care produsul concentrației (ppm) cu timpul (minute) depășește 30 000 ppp/minut este probabilă a fi periculoasă. Astfel, o expunere de cinci minute la 6 000 ppm de monoxid de carbon este probabilă să fie periculoasă și poate duce la incapacitate, așa cum se arată în tabelul 2.6. [130, 134].
Tabelul 2.6.
Unele condiții de limită pentru securitatea vieții ca urmare
a acțiunii produselor toxice de combustie
S-au indicat următoarele efecte fiziologice asupra oamenilor cauzate de monoxidul de carbon, reducerea nivelului de oxigen și dioxid de carbon rezultate ca urmare a procesului de ardere:
Monoxid de carbon (numărul indică procentul volumic în aer):
0,15 – dureri de cap după 15 minute, colaps după 30 minute, moarte după o oră;
0,20 – dureri de cap după 10 minute, colaps după 20 minute, moarte după 45 minute;
0,30 – expunere maximă de securitate de cinci minute, pericol de colaps în 10 minute;
0,60 – dureri de cap și amețeli în 1-2 minute, pericol de moarte în 10 – 15 minute;
1,28 – efect imediat, inconștiență după 2 – 3 respirații, pericol de moarte în 1-3 minute.
Anoxia, oxigenul redus (numărul indică procentul volumic în aer):
11 – dureri de cap, amețeli, oboseală rapidă, timp de toleranță 30 minute;
9 – scurtare a respirației, puls rapid, ușor cionozic, amețeală, timp de toleranță 5 minute;
7 – simptomele de mai sus devin serioase, se instalează amorțeala, apare inconștiența, timp de toleranță trei minute;
6 – contracțiile inimii se opresc după 6–8 minute după oprirea respirației;
2 – moartea apare sub 45 secunde.
Dioxidul de carbon (numărul indică procentul volumic în aer):
10 – pragul de inconștiență 30 minute;
12 – pragul de inconștiență cinci minute;
15 – limita de expunere un minut;
20 – inconștiența apare în mai puțin de un minut.
Astfel, când condițiile ating un punct unde temperatura este mai mare de 149 oC, CO este peste 1 % , CO2 este peste 12 % și /sau O2 este sub 7 % atunci capacitatea persoanei expusă de a se autosalva este grav amenințată.
Alți produși de combustie toxici sau corozivi de interes includ gaze ca acidul cianhidric și acidul clorhidric.
2.2.6. Vizibilitatea prin fum
Vizibilitatea prin fum are un efect major asupra abilității ocupanților de a se evacua în securitate dintr-un incendiu. Factorii care influențează vizibilitatea sunt cantitatea de particule de fum în calea vederii și efectul fiziologic asupra ochilor, care ar putea afecta luarea de decizii. Scherfig [59] a definit criteriul de securitate pentru evacuare în termeni de praguri de vizibilitate. Se propune regula ca persoanele în timpul ieșirii să aibă o vizibilitate de cel puțin trei metri în compartimentul primar de incendiu și 10 m pentru căile de evacuare.
Generarea de fum este influențată foarte mult de rata de dezvoltarea a incendiului și de rata eliberării de căldură. Din perspectiva securității vieții, este important ca să nu se ajungă la o doză periculoasă de fum sau produse toxice de combustie (prin detecția și stingerea rapidă a incendiului) și să fie împiedicate să ajungă la ocupanții clădirii (prin sisteme de desfumare).
2.3. SPECIFICITĂȚI ALE INCENDIILOR ÎN TUNELURILE RUTIERE ȘI MĂSURI PROPRII DE SECURITATE
2.3.1. Abordarea generală a securității la incendiu în tuneluri
În general, nivelul de siguranță în tuneluri este comparabil cu cel asociat infrastructurii similare formată din drumuri deschise. De fapt, riscul de accidente mortale în tuneluri, este mai mic pe km de vehicule de câteva ori decât cel asociat infrastructurii similare formată din drumuri deschise. Cu toate acestea, unele evenimente sunt specifice numai pentru tuneluri și au ca rezultat consecințe grave pentru utilizatori.
Exemplele includ incendiile, exploziile, eliberarea de gaze toxice și alte substanțe periculoase, iar pentru unele tuneluri chiar și inundații. Atunci când se vorbește despre riscurile specifice tunelelor rutiere, se vorbește în primul rând despre riscul producerii unui incendiu, iar studiul evoluției incendiului are o importanță majoră.
În ciuda nivelului ridicat al riscului de incendiu, în realitate, relativ „puține” persoane și–au pierdut viața în incendiile din tuneluri în comparație cu numărul deceselor produse în traficul rutier general.
2.3.2. Cauzele de incendiu în tunelurile rutiere
Un incendiu necesită trei elemente de bază: carburant, comburant și sursa aprindere.
O analiză de securitate la incendiu presupune un studiu amănunțit al elementelor care se află în interiorul tunelului, reacția acestora la foc, proprietățile lor privind combustibilitatea și modul de evoluție a incendiului în condiții date.
Materialele combustibile se comportă diferit în funcție de starea lor fizică și condițiile existente în tunel în momentul aprinderii acestora. Interacțiunea cu sistemele de siguranță și sistemele de ventilare trebuie de asemenea luată în calcul.
Declanșarea unui incendiu în tunel poate avea la bază o serie de evenimente nedorite sau o combinație de evenimente și defecte diverse.
Aproximativ 95% din totalitatea incendiilor din tuneluri sunt cauzate de defecte electrice și mecanice ale vehiculelor, de exemplu:
defecte de natură electrică;
supraîncălzirea motoarelor;
supraîncălzirea sistemului de frânare.
Alte cauze mai puțin frecvente sunt:
tamponările;
defectele tehnice ale echipamentelor și instalațiilor tunelului;
lucrări de întreținere în tuneluri.
Coliziunile autovehiculelor nu sunt cauza frecventă a incendiilor, dar au ca rezultat cele mai mari incendii.
Probabilitatea producerii unui incendiu la autovehiculele grele folosite la transportul de marfă este mai mare decât la autovehiculele care transportă persoane, iar când într-un eveniment sunt implicate și autovehiculele folosite la transportul de marfă, există riscul ca incendiul să evolueze într–unul foarte mare [79, 152].
Figura 2.7 detaliază cele mai frecvente cauze ale incendiilor din toate tipurile de tuneluri, iar în figura 2.8 principalele obstacole cu care pompierii se confruntă în lichidarea incendiilor și operațiunile de salvare.
Figura 2.7. Procentajele celor mai frecvente cauze ale incendiilor în tunelurile rutiere
Figura 2.8. Principalele obstacole ce stau in calea pomperilor pe timpul operațiilor de intervenție în fiecare tip de tuneluri în parte
Continuând în aceeași direcție de analiză, principalele organizații de reglementare a traficului și a rutelor trasează principalele cauze de incendiu din tunelurile rutiere, conform figurii 2.9.
Figura 2.9. Principalele cauze de incendiu în tunelurile rutiere, conform Organizației Naturale a Rutelor PIARC/OECD
Durata celor mai grave incendii înregistrate în tuneluri de–a lungul timpului variază între 20 minute și 4 zile. Majoritatea incendiilor serioase au avut ca durată 2 – 3 ore, dar patru incendii în tunelurile rutiere sunt considerate ca fiind deosebit de grave:
Nihonzaka, Japonia, 1979, coliziune, cu durata de 4 zile;
Mont Blanc, Franța / Italia, 1999, autoaprinderea unui vehicul de mare tonaj, cu durata de 53 ore;
Tauern, Austria, 1999, coliziune, cu durata de 15 ore;
Gotthard, Elveția, 2001, coliziune, cu durata de 20 ore [59, 80].
2.3.3. Consecințele producerii unui incendiu
Incendiile în general, produc căldură, fum și gaze toxice, care pot provoca leziuni și pierderea de vieți omenești.
Degajarea de căldură este cauza principală de deteriorare a structurilor și instalațiilor, și rareori este cauza deceselor;
Principala amenințare asupra omului este aceea de pierdere a vizibilității din cauza fumului (ceea ce împiedică evacuarea) și apoi toxicitatea gazelor.
Un risc secundar este acela că incendiul reprezintă un pericol de poluare a mediului datorită toxicității fumului și substanțelor rezultate în urma arderii.
Consecințele incendiilor sunt următoarele:
decese și accidente pentru:
utilizatorii tunelului;
personalul ce asigură mentenanța tunelului;
serviciile de urgență;
pierderi economice legate de vehicule și bunuri, costuri de reparare a prejudiciului/reconstrucția tunelului;
trafic perturbat din cauza închiderii sau utilizarea la un nivel redus a tunelului după incendiu;
efecte negative asupra mediului.
2.3.4. Obiectivele ce stau la baza protecției împotriva incendiilor în tunel
Primul obiectiv este acela de prevenire a evenimentelor critice care pot periclita viața omului, mediul și structura tunelului.
Celelalte obiective urmăresc reducerea consecințelor unor eventuale incendii, ele depinzând de tipul de infrastructură. Obiectivele în cazul tunelelor rutiere sunt, în general de a crea premise pentru:
autosalvarea persoanelor aflate în tunel în momentul izbucnirii incendiului;
intervenție din partea utilizatorilor pentru prevenirea consecințelor grave;
acțiunea efectivă a serviciilor de urgență;
protecția mediului;
limitarea pagubelor materiale și structurale.
2.3.5. Probleme legate de comportarea la foc
În cazul izbucnirii unui incendiu în tunel, cronologia simplificată a fazelor de desfășurare a evenimentelor este următoarea:
autoevacuarea utilizatorilor;
sosirea serviciilor de urgență, evacuarea asistată a utilizatorilor rămași în tunel și protecția bunurilor;
stingerea incendiului și analiza daunelor structurale;
evaluarea reparațiilor ce trebuie efectuate.
Figura 2.10 prezintă principalele riscuri pentru utilizatori și servicii de urgență [8, 10].
Figura 2.10. Pericole pentru persoane (utilizatori, pompieri) aflate în tunel
Durata fazelor 1, 2 și 3 este cea care determină capacitatea de supraviețuire a utilizatorilor și a serviciilor de urgență în tunel.
Un grafic al capacității de supraviețuire a persoanelor (utilizatori, servicii de urgență) în timp, aflate în tunelul afectat de incendiu, în figura 2.11. Acest grafic este doar un exemplu schematic ce prezintă un caz extrem de producere a unui incendiu major scăpat de sub control; marea majoritate a incendiilor nu ajung la o etapă în care să fie scăpate de sub control.
Figura 2.11. Graficul capacității de supraviețuire
Un tunel trebuie să fie compus din elemente având caracteristici ce pot răspunde unor cerințe diverse, în caz de incendiu:
siguranța utilizatorului în tunel în timpul fazelor de autoevacuare și de evacuare asistată;
siguranța serviciilor de urgență prezente în tunel în timpul fazelor de evacuare asistată și stingere a incendiului;
siguranța utilizatorilor care nu au putut fi evacuați rapid și a serviciilor de urgență care utilizează refugiile special create în structura tunelului pentru operațiunile de salvare;
limitarea pagubelor, costurilor de reparație și a timpului de indisponibilitate a tunelului după stingerea incendiului.
Aceste obiective sunt transpuse în exigențe ce privesc diverse aspecte ale comportamentului la foc:
reacția la foc a unui material – capacitatea sa de a participa (sau de a nu participa), la un incendiu la care acesta este expus, luându-se în calcul combustibilitatea proprie; se caracterizează prin tendința unui material de a se aprinde, contribuind la dezvoltarea incendiului prin degajarea de căldură sau fum;
rezistenta la foc a unui element de structură – capacitatea sa de a–și păstra proprietățile în condițiile dezvoltării incendiului; acest aspect include o serie de alte funcții: capacitatea de a-și menține portanța, etanșeitatea (pentru a preveni propagarea flăcărilor și a gazelor fierbinți prin elementele de structură), izolarea termică (pentru a preveni transmiterea căldurii);
pentru echipamente electromecanice, trebuie prevăzute criterii speciale, constructive, care să le ajute să opereze în condiții de temperaturi ridicate fără a–și pierde caracteristicile funcționale nominale (se referă la criteriul de rezistență la foc, dar distinct de rezistența la foc a structurilor).
2.3.6. Reacția la foc a elementelor de construcție a tunelului
Reacția la foc reprezintă comportarea unui material care, prin propria sa descompunere, alimentează un incendiu la care este expus în condiții specificate.
Cerința esențială de securitate la incendiu a tunelelor include condiții privind amplasarea acestora și performanțele de comportare la foc a structurii, a produselor utilizate în construcția acestora, a instalațiilor aferente tunelelor, a sistemelor și instalațiilor de protecție împotriva incendiilor.
Evaluarea performanțelor de reacție la foc se face conform normelor europene (EuroClase).
Criteriile de evaluare a reacției la foc stabilite de UE cuprind gradul de aprindere a materialului, degajarea de căldură, modul de propagare a flăcărilor, producerea fumului și a gazelor toxice, degajarea de particule arzânde/praf zburător sau o combinație a acestor aspecte de securitate. Aceste caracteristici sunt măsurate de către un sistem de doar patru metode de testare armonizate, test la scară mică, plus o metodă de testare de referință pentru un eșantion la scară mare.
Criteriile de performanță pentru clasificarea produselor pentru construcții și instalații, din punct de vedere al reacției la foc, sunt definite și simbolizate în tabelul 2.7.
Tabelul 2.7.
Criterii de performanță pentru reacția la foc
Clasele de reacție la foc sunt expresii cantitative formulate în termeni de performanță pentru modul de comportare a produselor la acțiunea focului, în condiții de utilizare finală, structurate într–o serie de niveluri de performanță.
2.3.6.1. Obiective ce trebuie atinse
Obiectivele care stau la baza rezistenței la foc în tunel sunt multiple:
securitatea utilizatorilor;
securitatea serviciilor de urgență în lupta împotriva incendiilor;
asigurarea condițiilor necesare de lucru și siguranța ocupanților din jurul structurilor;
durabilitatea structurii pentru a minimiza costurile și timpul de reparație în caz de catastrofe majore.
2.3.6.2. Curba temperatură – timp
Alegerea curbelor de temperatură–timp a fost rezultatul unui compromis între două obiective conflictuale:
curbele de temperatură utilizate în tuneluri ar trebui să fie în număr cât mai mic posibil și să corespundă cu cele utilizate în alte domenii (ISO, Eurocode). Acest lucru este necesar pentru a beneficia de experiența dobândită în testele efectuate anterior și calculele deja existente;
curbele ar trebui să reprezinte evoluția specifică a temperaturii în timpul unui incendiu într-un tunel, care este diferit de un incendiu într-o clădire din cauza cantităților de combustibil diferite și mediului semi–închis specific tunelelor.
În tuneluri cu dimensiuni restrânse, un autoturism incendiat nu poate degaja temperaturi ridicate în aer (ele rămân sub 500 °C), dar flăcările pot atinge în zona structurii tunelului temperaturi în jur de 800 – 900 °C. Aceste valori aproximative corespund temperaturii maxime a aerului în cazul unui incendiu care se manifestă la autoturisme sau camioane de dimensiuni mici.
În toate cazurile, aceste temperaturi nu au fost atinse nici după 60 de minute. Curba standard (cunoscută sub numele de ISO 834) pe o perioadă de 60 de minute este descrisă de ecuația 2.4:
Θ = 345 log(8t + 1) + 20, (2.4)
unde Θ este temperatura gazelor de ardere în grade Celsius și t este timpul în minute.
Curba fost aleasă pentru un model de incendiu în tuneluri din următoarele motive:
aceasta duce la temperaturi între 800 °C și 950 °C pentru o perioadă cuprinsă între 20 și 60 de minute;
este frecvent folosită, astfel încât determinarea și verificarea rezistenței la foc utilizând această curbă nu prezintă, în general, o problemă deosebită.
Pentru tunelurile cu gabarite normale, unde este autorizat traficul vehiculelor grele de marfă, două cazuri au fost luate în considerare (fig. 2.12):
incendiile în care creșterea temperaturii este relativ lentă, dar care sunt susceptibile să dureze mai mult, sunt caracterizate prin curba normalizată (CN). Timpul maxim tmax rezultat din această curbă a fost stabilit la 240 de minute. Statisticile disponibile arată că această perioadă de timp este mai mare comparativ cu toate incendiile ce se manifestă la vehiculele de mare tonaj fără ca acestea să transporte mărfuri periculoase, în aer liber, acoperind 90% din incendiile care implică transportul mărfurilor periculoase în aer liber cu vehicule de mare tonaj (excepție face incendiul din tunelul Mont Blanc, care a durat 53 ore și a fost caracterizat prin aprinderea succesivă a mai multor vehicule de mare tonaj);
incendiile în care creșterea temperaturii este mult mai rapidă decât curba descrisă de ecuația 2.4.
Acest lucru se întâmplă mai ales în cazul în care sunt implicate mari cantități de materiale combustibile lichide (sau lichefiate), acestea fiind sau nu clasificate drept mărfuri periculoase.
Aceste incendii sunt caracterizate printr–o nouă curbă numită „curba hidrocarburilor modificată” (HCM), care ajunge la 1200 °C în mai puțin de 10 minute și o temperatură maximă de 1300 °C, aproximativ 20 de minute mai târziu. Această curbă satisface ecuația (bazată pe curba de HC Eurocod 1)
Θ = 1280 (1 – 0,325 e –0,167t – 0,675 e –2,5t) + 20, (2.5)
unde Θ este temperatura gazelor de ardere în grade Celsius și t este timpul în minute.
Această curbă are o creștere rapidă dar nu se depășește tmax = 120 minute.
Figura 2.12. Curbele de temperatură–timp utilizate în tuneluri
Aceste curbe corespund temperaturilor foarte ridicate întâlnite numai în zona incendiului sau în imediata apropiere a flăcărilor, și se aplică structurilor pentru a determina fluxul de căldură transmis prin pereți (convecție și radiație).
Trebuie remarcat faptul că, curba HCM este foarte aproape de curba RWS, specifică Țărilor de Jos, iar elementele testate de sub curba RWS sunt luate în calcul atunci când utilizăm curba HCM [58, 140].
În unele cazuri, este necesară cunoașterea valorii temperaturii din afara zonelor de interes (de exemplu, în cazul ventilației transversale, pentru a evalua temperatura pe conductele de evacuare a aerului viciat la o distanța suficient de mare de trapele de evacuare).
În acest caz, aerul cald este răcit rapid datorită cedării temperaturii către pereții tunelului, mai ales când este amestecat cu aer rece adus de instalațiile de ventilare sau datorită circulației naturale a acestuia.
În cazul în care se cunoaște debitul gazelor de ardere rezultat în urma unui incendiu dat, se poate calcula temperatura de diluție, care corespunde temperaturii aerului încălzit de incendiu după amestecarea acestuia cu aerul rece în momentul când s-a atins o temperatură uniformă.
Se consideră că amestecul total se produce la o distanță de aproximativ câteva diametre echivalente ale trapelor. Ca atare, nu se poate exclude faptul că, flacăra, având o temperatură foarte ridicată, pătrunde și prin ramele trapelor de absorbție a aerului viciat. În acest caz, la calculul puterii incendiului se iau în considerare valorile extreme ale acesteia: 100 MW pentru tunelele în care este interzis transportul de mărfuri periculoase și 200 MW pentru tuneluri în care este permis acest tip de transport. În final, pentru a evita alegerea unor valori aleatoare ale surselor diferite de incendiu la elaborarea proiectelor și pentru a permite efectuarea unor comparații la diferite nivele, se folosesc valori standardizate.
Tabelul 2.8.
Valori standardizate pentru diferite surse de incendiu în tunele
*Instrucțiunile tehnice prevăd un sistem de ventilare transversală
Puterile incendiilor tip prezentate în tabelul 2.8 sunt superioare tuturor incendiilor care apar în tunel. Puterile maxime ale incendiilor au fost determinate în urma efectuării unor încercări la foc în condiții extreme, luându-se în considerare un aport ridicat de oxigen, producerea acestora fiind foarte puțin probabilă.
2.4. EVENIMENTE NOTABILE. ANALIZA CELOR MAI REPREZENTATIVE. LECȚII ÎNVĂȚATE
2.4.1. Scurtă trecere în revistă a celor mai importante evenimente notabile în domeniu
Statisticile dovedesc faptul că incendiile înregistrate în tunelurile rutiere sunt destul de rare raportat la numărul total de incendii implicând autovehiculele. Procentual acestea ajung la 0,1% din numărul total de incendii, conform unor studii realizate în perioada 1999 – 2001 în urma centralizării evenimentelor din mai multe țări europene.
Dintre cele mai importante evenimente de acest gen, se pot enumera:
Incendiul din tunelul Nihonzaka, Japonia 1979;
Incendiul din tunelul Caldecott, Oakland, California (1982);
Incendiul din tunelul Pfander, Austria (1995);
Incendiul din tunelul Gotthard, Elveția (1997);
Incendiul din tunelul Mont-Blanc (1999);
Incendiul din tunelul Tauern, Austria (1999).
2.4.2. Incendiul din tunelul Tauern, Austria (1999)
La data de 25 mai 1999, în tunelul Tauern (lung de 6,4 Km, lat de 9,5 m și înalt de 5 m) a avut loc un accident. Un camion încărcat cu vopseluri, în spatele căruia circulau 4 autoturisme, a oprit în tunel la culoarea roșie ce marca efectuarea unor lucrări temporare. Un camion articulat care venea din spate a observat prea târziu vehiculele oprite în fața lui, nemaiputând să frâneze în timp util. Astfel au fost împinse 2 mașini sub camionul ce transporta vopsele și alte 2 într-un perete lateral. Vehiculele au luat foc instantaneu, focul propagându-se la 16 camioane și 24 de autoturisme. Sistemul de ventilație, constând în 4 secțiuni de ventilare dispuse transversal, cu o capacitate de ventilare de 190 m3/s km și capacitate de exhaustare de 119 m3/s km, a fost pornit în partea nordică a tunelului, unde coliziunea a avut loc de către sistemul de alarmare propriu, extrăgându-se 230 m3/s km. Deși fumul era extras în mare parte, căldura și fumul încins au făcut imposibilă menținerea degajată a părții carosabile.
Daunele au constat în mare parte în afectarea părții centrale a tavanului tunelului, interiorul și pereții tunelului pe o lungime de 350 m, precum și partea de beton a părții carosabile și nișele pe o lungime de 900 m.
Pe baza informațiilor sumare puse la dispoziție, s-a estimat că focul a fost în totalitate dezvoltat pe o lungime de 300 m, acolo unde aportul de oxigen oferit de sistemul de ventilare a fost maxim. Pe baza aportului de oxigen oferit și a ventilației naturale de la extremități, precum șia generării unei temperaturi maxime de 200 °C, s-a estimat o rată totală de eliberare a căldurii de 300-400 MW. Deși poate părea o valoare foarte mare, nu este anormală, data fiind cantitatea de combustibil din interior și aportul de aer suplimentar. Echipa de pompieri, deși ajunsă la doar câteva minute la fața locului, a trebuit să se retragă imediat datorită fumului dens și a căldurii. Stingerea totală a incendiului nu a fost posibilă decât dupa mai bine de 16 ore de la igniție. 12 oameni au decedat, alți 57 răniți.
Tunelul precum și instalațiile aferente au avut nevoie de înlocuire pe o lungime de 1,5 km, constând în curățarea canalelor de aerisire, reparația pereților, a căii de rulare pe o porțiune mai bine de 1 km (mutată de la o adâncime de 1 m și reasfaltată), modificarea sistemului de ventilație în vederea extragerii fumului în puncte fixe, adăugarea unei linii adiționale de comunicare radio, instalarea unui sistem de înregistrare resetabil la fiecare 5 secunde în decursul a 24 de ore.
Prin urmare:
cauza incendiului a fost coliziunea din spate în condițiile unor lucrări temporare în tunel;
stingerea incendiului și salvarea persoanelor au fost îngreunate de fum și căldură;
sistemul de ventilare nu a fost unul adecvat pentru stingerea incendiului.
2.4.3. Incendiul din tunelul Mont-Blanc (1999)
Unul dintre cele mai cunoscute evenimente de acest gen este reprezentat de incendiul din tunelul Mont Blanc, soldat cu 41 de morți, cu o durată de manifestare de 52 de ore, în data de 24.03.1999. Tunelul era prevăzut cu camere independente de control, ventilație și sisteme de siguranță de ambele părți, italiană și franceză. Deși proiectat să susțină traficul a 450 000 de mașini, in 1997 era folosit unui trafic de 1,1 milioane de mașini.
Incendiul din acea zi a pornit de la un camion ce transporta 12 tone de margarină și făină, incendiu detectat și semnalizat în decursul a 2-3 km, cu ajutorul a 4 camere video. Camionul a explodat, șoferul neputând face nimic pentru evitarea dezastrului, mingea de foc durînd 30 de secunde, extinderea focului făcându-se cu rapiditate în tunel. 26 de autovehicule nu au putut traversa zona incendiată. În mod normal, senzorii amplasați la fiecare 8 metri alarmează orice temperatură peste 50° C, însă în acel caz, camionul fiind în mișcare, aceștia s-au declanșat la o temparatură de 1 000 °C.
În partea italiană, datorită alarmelor false foarte dese, sistemul de senzori fusese dezactivat în totalitate. Introducerea suplimentară de aer nu a făcut altceva decât să alimenteze incendiul. Șoferii surprinși au reușit, după ce în ultima fază au părăsit autovechiculele, să mai parcurgă 200-500 m pănâ să decedeze. Un număr de 27 dintre automobiliști au fost găsiți decedați în mașinile lor, iar alti 9 afară, deoarece au rămas în mașinile lor până a fost prea târziu.
Viteza fumului de până la 6,5 m/s este mult mai mare decât a unui om, în condiție bună, să poată alerga. Aflați la 1 000 de m de focar (1 800 °C), pompierii primesc ordine să se adăpostească într-un spațiu de protecție acoperit, care era deja ocupat în totalitate.
Figura 2.13. Tunelul Mont-Blanc după incendiu, locul inițierii acestuia
Au fost salvate 6 persoane de către pompierii francezi. Acestora le-a luat 50 de ore ca să reducă treptat temperatura și să lichideze incendiul. În figura 2.13. se pot observa urmările incendiului din cadrul tunelului Mont-Blanc [80, 153].
2.4.4. Principalele lecții însușite din evenimentele înregistrate la Mont-Blanc și cele din tunelul Tauern (Austria)
Ambele tuneluri au în comun faptul că sunt bidirecționale și ventilate cu ajutorul unui sistem transversal de ventilație. Ambele incendii au întreținut o degajare a ratei de căldură (HRR) considerabilă.
Totuși, mai multe vieți au fost pierdute în incendiul din tunelul Mont Blanc. Din punctul de vedere al comportamentului uman, incendiul din tunelul Tauern a avut loc la puțin timp după cel de la Mont Blanc, astfel că oamenii au avut timp să afle de probabilitatea și severitatea acetui tip de incidente. În tunelul Tauern, incendiul a fost localizat în apropierea unei ieșiri, pe când în tunelul Mont Blanc acesta a avut loc aproape la jumătatea distanței dintre cele două ieșiri. Totodată, cele două centre de control din tunelul Mont Blanc nu au reușit gestionarea incendiului într-un mod facil.
Comparativ, sistemul de ventilare din tunelul Tauern s-a dovedit mult mai performant, iar pompierii au fost mai bine echipați decât cei care au intervenit la Mont Blanc.
În tabelul 2.9 se regăsesc principalele consecințe și lecții desprinse rezumând evenimentele derulate în cadrul celor două incidente, astfel:
Tabelul 2.9.
Principalele lecții învățate din cele 2 incidente, evaluare de la negativ (- -) la pozitiv (+ +)
2.5. ELEMENTE GENERALE ALE INGINERIEI SECURITĂȚII LA INCENDIU. APLICABILITATEA ACESTEIA ÎN CADRUL TUNELURILOR RUTIERE
Prezentul subcapitol abordează o noțiune recent supusă dezvoltării în țara noastră, anume ingineria securității la incendiu, aceasta fiind folosită din ce în ce mai mult în cadrul evaluării globale a performanței la foc a construcțiilor.
Din acest motiv, începând cu anul 2000, mulți studenți masteranzi și doctoranzi au cochetat cu subdomenii tangențiale ingineriei securității la incendiu în diversele lor lucrări științifice, acest domeniu nefiind încă fundamentat în România.
Elementele din cadrul disciplinei ingineria securității la incendiu pot fi identificate ținând cont de securitatea vieții și a proprietății. Aceste arii nu sunt mutual exclusive, scopul lor este să îmbunătățească securitatea vieții și în același timp să protejeze proprietatea.
Ingineria securității la incendiu, conform ISO/TR 13387-1, înseamnă aplicarea principiilor inginerești, a regulilor și analizelor experților, bazate pe o apreciere științifică a incendiului ca fenomen, a efectelor incendiului și a reacției și comportării oamenilor, în scopul:
de a salva viața, de a proteja proprietatea și de a ocroti mediul și patrimoniul;
de a cuantifica pericolul, riscul de incendiu și efectele lor;
de a evalua analitic protecția optimă și măsurile preventive necesare pentru a limita consecințele incendiului.
Prin urmare, scopul ingineriei securității la incendiu este de a realiza o concepție bazată pe metodologii, date și metode de calcul adecvate, fundamentate științific și complete, care să poată fi aplicată, cu cheltuieli eficiente, la proiectarea și managementul clădirilor, astfel încât:
să fie încurajat un nivel de proiectare recunoscut mondial;
să fie asigurată siguranța utilizatorilor;
să fie reduse la minimum pagubele provocate de incendiu și poluarea mediului;
să fie protejat patrimoniul [134, 166].
Locul ingineriei securității la incendiu în cadrul corpului domeniului ingineresc se poate reprezenta conform figurii 2.14.
Figura 2.14. Locul ingineriei securității la incendiu în corpul domeniului ingineresc
Subsistemele ingineriei securității la incendiu sunt următoarele:
1 – Inițierea și dezvoltarea incendiului și a efluenților acestuia;
2 – Mișcarea efluenților incendiului ;
3 – Acțiunea asupra structurii de rezistență și propagarea incendiului în jurul focarului;
4 – Detecție, activare și stingere;
5 – Siguranța vieții, comportarea ocupanților, poziție și condiționări;
6 – Intervenția serviciilor profesioniste de pompieri.
Subsistemele ingineriei securității la incendiu se pot detalia conform figurii 2.15, unde este redată și interdependența între două tipuri de parametri de proiectare și subsistemele acesteia.
Figura 2.15. Subsistemele ingineriei securității la incendiu
Analiza inginerească este efectuată pentru a transforma datele de intrare în parametri de proiectare calculați și în date de ieșire plasate în această ramură a ingineriei. În final, toate valorile parametrilor de proiectare sunt acum incluse în ingineria securității la incendiu, spre a fi folosite ca date de intrare de subsisteme.
În figura 2.16 sunt exemplificațe relațiile dintre parametrii de proiectare și subsistemele ingineriei securității la incendiu.
Figura 2.16. Relația între parametrii de proiectare și subsistemele ingineriei securității la incendiu
Dintre paramaetrii enumerați, vor face obiectul următoarelor capitole studiul inițierii și dezvoltării incendiului și a mișcării efluenților acestuia, iar din cadrul subsistemelor se vor aborda focul proiectat, influențe asupra mediului, fluxul termic de căldură degajat și mărimea flăcării.
2.6. CONCLUZII
Prezentul capitol și-a propus explicarea fenomenogiei incendiului, plecând de la exemplificarea și detalierea noțiunilor de bază specifice acestuia. S-au reliefat, astfel, condițiile minime necesare întreținerii unei arderi, precum și diferența dintre arderea normală (focul util) și incendiu. S-au enumerat și mărimile specifice incendiului (ardere, viteza de ardere, masa materialelor combustibile, produși toxici, efluenți etc.) și semnificația atingerii unor valori superioare acestora, ca potențial efect asupra comportamentului uman și al limitelor superioare de suportabilitate.
În vederea asigurării unui preambul studierii incendiului în tunelurile rutiere, capitolul a prezentat câteva din caracteristicile acestora. S-au studiat cauzele incendiilor în tunelurile rutiere și s-a redat graficul capacității de supraviețuire și factorii la care sunt expuși utilizatorii. Totodată, s-au detaliat criteriile de performanță pentru reacția la foc precum și
clasificarea produselor pentru construcții, privind reacția la foc, după indicele FIGRA.
Au fost enumerate și aspecte ale problematicii comportării la foc în asemenea structuri.
S-au studiat totodată și câteva dintre cele mai importante incendii în tuneluri, iar din două dintre acestea, cele mai semnificative, s-au extras concluzii cu privire la aspectele pozitive și negative referitoare la incendii, facilitățile de securitate, operativitatea tunelului și nu în ultimul rând la comportamentul uman, acesta din urmă făcând obiectul studiului ultimului capitol al prezentei lucrări.
Din tabelele incluzând limitele nocive ce pot pune în pericol viața umană au reieșit următoarele criterii minime asociate protejării vieții:
temperatura aerului să fie mai mică sau egală cu 65 °C;
grosimea stratului de fum să nu ajungă mai aproape de 2 m de podea;
nivelul de oxigen în aer să fie mai mare sau egal cu 12 %;
stația de metrou să fie evacuată în totalitate, în maxim 240 de secunde.
Nu în cele din urmă, s-au abordat aspecte generale ale ingineriei securității la incendiu în țara noastră, ca ramura relativ nouă de studiu în cadrul acestui domeniu, urmărindu-se posibilitatea aplicării acesteia și în cadrul tunelurilor rutiere, bază de la care s-a stabilit studiul anumitor parametri și susbsisteme ale acestui domeniu în capitolele următoare, aplicate și în cazul tunelurilor rutiere, ca parte a contribuțiilor originale integrate capitolului în cauză.
CAPITOLUL 3
CERCETĂRI EXPERIMENTALE LA SCARĂ PRIVIND CARACTERISTICILE INCENDIILOR ÎN TUNELURILE RUTIERE
3.1. INTRODUCERE ȘI ACTIVITĂȚI PRELIMINARE
Securitatea la incendiu a tunelurilor rutiere devine, prin forța împrejurărilor ce țin de trafic, tipul și numărul autovehiculelor, zonele traversate și, nu în ultimul rând factorul uman, un aspect ce necesită o atenție și un studiu aparte pe măsura schimbărilor la care aceasta este supusă.
Din păcate, testele la scară reală în tunelurile rutiere implică existența unor condiții foarte greu de atins, din considerente de infrastructură, economie (întreruperea traficului rutier pentru o perioadă medie de timp), securitate (utilizatori puși în pericol, echipe de intervenție dislocate special în acest scop, poluarea mediului, refacerea condițiilor inițiale etc.).
Pentru a compensa neajunsul anterior menționat, s-a recurs la soluția efectuării testelor la scară reală a autoturismelor (fără a presupune amplasarea acestora într-un tunel rutier), sau a realizării acestora la scară, confecționând machete de tuneluri rutiere la scară care completează scenariul incendierii utilizând diverse materiale combustibile care respectă, în mod universal, scalarizarea prametrilor studiați în vederea obținerii de rezultate concrete raportat la condițiile în care se desfășoară experimentele.
Legislația europeană în vigoare (Directiva 54/2004, standardul NFPA 502 etc.) presupune existența instalațiilor de sprinklere ca măsură de intervenție activă în cazul unui incendiu, motiv pentru care s-a luat în calcul introducerea unor capete-sprinkler și în cadrul acestor testări, în vederea determinării unor parametri specifici care țin de utilizarea acestora.
De menționat este faptul că scopul acestor testări nu a vizat comportarea la foc a machetei de tunel rutier, informațiile principale centrându-se pe determinarea parametrilor specifici care pun în pericol utilizatorii surprinși în cadrul unui eventual incendiu și modul în care evacuarea, integritatea și, în cele din urmă, viața acestora este afectată în aceste condiții [38, 39, 43, 44, 134].
Pe parcursul cercetărilor experimentale, s-au avut în vedere următoarele etape:
Studierea bibliografiei de specialitate în domeniul securității la incendiu a tunelurilor rutiere, stabilirea spațiului și a locației exacte de amplasare a machetei de tunel:
Alegerea materialelor ce urmează a fi folosite în cadrul testărilor;
Identificarea locației propriu-zise de testare;
Configurarea standului experimental și alegerea tipologiei de teste, în urma studierii celor similare realizate de alți cercetători;
Alegerea și achiziționarea materialului combustibil:
Studiul pieței;
Calculul cantităților necesare și achiziționarea propiu-zisă;
Construirea incintei pentru testare:
Alegerea spațiului exact de amplasare a incintei (machetei) și achiziționarea materialelor necesare;
Verificarea accesului la utilități (energie electrică, apă curentă menajeră), desfumare;
Asamblarea efectivă a machetei de tunel, conform planului inițial;
Obținerea sau împrumutarea instrumentelor necesare experimentelor – termocupluri, anemometru, înregistrator date, laptop, balanță electronică, camere video și de termoscanare, prin intermendiul protocoalelor de colaborare încheiate între Facultatea de Pompieri și INCERC;
Executarea experimentelor utilizând diverși combustibili și condiții de ventilație:
Obținerea datelor de temperatură, dispersie fum, HRR (heat release rate) în urma executării testelor;
Calculul și determinarea HRR cu ajutorul balanței electronice;
Efectuarea comparațiilor și formularea de concluzii;
Interpretarea rezultatelor:
Trasarea curbelor și a tabelelor aferente testelelor efectuate;
Compararea curbelor și a rezultatelor obținute;
Formularea concluziilor și a indicațiilor ulterioare de cercetare.
Acest capitol are ca obiective efectuarea unui număr de experimente în cadrul machetei de tunel realizate, în vederea obținerii unor certe informații ce țin de indicatorii de comportament la foc specifici unui incendiu într-un tunel rutier, de la care, ulterior se pot realiza și interpreta modele și adopta măsuri de securitate în consecință. Acestea vor fi utile în cadrul mai multor domenii de activitate și stadii de construcție (evacuarea utilizatorilor, proiectare, utilizare, stingerea incendiilor).
SCALARIZAREA (REDUCEREA LA SCARĂ, TEORIE, FORMULE, CALCULE)
În vederea obținerii unor rezultate de o acuratețe sporită, dat fiind faptul că testele se realizează la o scară de 1/10, adoptarea unor metode de scalarizare a principalilor parametri studiați este necesară. Experimentele anterioare similare precum și studiile ulterioare au demonstrat faptul că valorile obținute nu sunt liniar proporționale celor rezultate în urma efectuării testelor la scara reală [40].
În acest sens, metoda de scalarizare utilizată în mod uzual este bine-cunoscuta similitudine Froude, aplicată și în cadrul prezentului studiu [105].
De menționat este faptul că inerția termică a materialelor implicate în ardere, intensitatea turbulențelor precum și radiațiile nu sunt scalar explicite, iar incertitudinea datorită scalării este foarte greu de estimat. Chiar și în aceste condiții, folosirea predominantă a acesteia în cadrul simulărilor în incinte închise a demonstrat obținerea unor rezultate de o acuratețe considerabilă, cu precădere în simulările de incendii în tuneluri rutiere, în toată lumea.
Tabelul 3.1.
Scurtă prezentare a corelațiilor de scalarizare – în acest sens, indicele “M” are semnificația de model, iar indicele “F” de ‘’full scale’’(la scară reală)
În cazul de fată, tunelul s-a construit la o scară de 1/10, ceea ce înseamnă că dimensiunile tunelului au fost alese respectând acest raport.
Principalii parametri studiați se pot calcula, la scară, conform relațiilor din tabelul 3.1.
DESCRIEREA STANDULUI EXPERIMENTAL
Date culese din cadrul testelor la scară naturală
Datorită faptului că severitatea daunelor crește, uneori nu este posibil să se facă diferența între sursa de aprindere, primul combustibil aprins (cauza) și sursa de căldură necauzatoare și combustibilul numărul doi (efectul). Compartimentul pasagerilor la vehiculele moderne are multe surse electrice în tabloul de bord, în scaune, uși, tetiere și în podeaua mașinii. Protecția fizică dintre compartimentul motorului și cel al pasagerilor a fost perforată pentru a face loc cablurilor, firelor și altor componente neîntâlnite la vehicule mai vechi. Acest fapt introduce în peisaj mai multe surse de aprindere în compartimentul pasagerilor, creându-se astfel o modalitate de extindere a incendiului din compartimentul motorului la cel al pasagerilor. Într-un incendiu care a cuprins toată mașina este dificil de determinat traiectoria acestuia: dacă s-a propagat de la motor la compartimentul pasagerilor sau invers.
În afară de rezultatele de la teste, comportarea incendiului pe durata arderii unei mașini are câteva semnificații cum ar fi:
în prima fază, incendiul este de obicei ascuns sub caroseria mașinii (incendiu de motor); în mod obișnuit există o serie de materiale implicate într-un incendiu de mașină cum ar fi: plastic, material textile, metale ușoare, lichide inflamabile etc.;
creșterea incendiului depinde de anul modelului de mașină și de sursa de aprindere;
datorită structurii materialului și dezvoltării incendiului, incendiile de mașină au tendința de a se răspândi similar ca incendiile de scurgere (incendii de plastic și incendii de lichide inflamabile).
Cinci teste la scară naturală au fost efecutate de către Institutul de cercetări în construcții al Japoniei Building Research Institute (BRI) cu scopul obținerii de date pentru proiectarea structurală la incendiu a parcajelor de autoturisme [58, 66].
Fiecare test a implicat un singur autoturism marca Sedan în patru uși. Pentru înregistrarea energiei eliberate de la incendiu s-a folosit metoda calorimetrului care se bazează pe consumul de oxigen la ardere. Sursa de aprindere a fost o bucată de cârpă îmbibată în metanol care a fost plasată pe scaunul șoferului. Geamurile de la șofer și pasagerul din dreapta au fost parțial deschise (10 cm). Toate testele s-au oprit după arderea completă a autoturismului.
În figura 3.2 se prezintă câteva poze de la o testare (Compact Sedan 550 cc) pentru vizualizarea etapelor unui incendiu de autoturism.
În continuare sunt detaliate câteva date despre autoturismul testat și în figurile 3.1 și 3.3. concluziile ratelor eliberării de căldură de la testare.
Masa vehiculului (kg): 1 380;
Începutul perioadei de ardere (min): 12,2;
Sfârșitul arderii (min): 64,5;
HRR maxim (kW): 4 073;
Durata atingerii HRR maxim (min): 38,3;
Căldura eliberată totală (MJ): 6 144;
Masa totală pierdută prin ardere (kg): 192.
Figura 3.1. Rata eliberării de căldură înregistrată la testele incendiu pe autoturisme (Compact Sedan 550 cc) efectuate de Institutul de cercetări în construcții (BRI), Japonia
Aprinderea După 5 minute
După 10 minute După 50 de minute
Figura 3.2. Instantanee din diferite momente ale manifestării incendiului, Compact Sedan (550 cc) efectuate de Institutul de cercetări în construcții (BRI), Japonia
Urmare a acestor teste și evaluări, se poate afirma că rata eliberării de căldură de la o mașină care arde are o tendință de creștere, conform figurii 3.3. [80, 129, 147].
Figura 3.3. Rezumatul HRR în incendiile de mașini
Cele anterior menționate au rolul de a întări baza reală de la care s-a plecat în realizarea acestor testări, iar valorile HRR înregistrate au stat la baza reducerii la scară, obținându-se valorile parametrilor din cadrul testărilor.
Caracteristicile machetei-tunel (material, tronsoane, dimensiuni, asamblare, spații vitrate)
Macheta tunel a fost realizată prin asamblarea a 3 tronsoane din silicat de calciu (CaSi) de tip PROMATECT L 500-20 mm, iar îmbinările sunt susținute cu material PROMATECT H-10 mm, având următoarele proprietăți:
Este necombustibil, fiind un material special utilizat în realizarea tubulaturilor de desfumare, tocmai datorită faptului că nu arde și rezistă la temperaturi ridicate (peste 1 000 oC);
Densitatea plăcilor este de 870 kg/m3;
Capacitatea calorică este de 1 130 J/kg·K;
Conductibilitatea termică este de 0,175 W/m·K;
Dimensiunile fizice ale acestei machete sunt după cum urmează:
Număr tronsoane: 3;
Lungimea primelor două tronsoane: 2,5 m;
Lungimea ultimului tronson: 2 m;
Lungimea totală a machetei: 7 m;
Grosimea unei plăci: 1,5 cm;
Numărul total de plăci: 12;
Suprafețe vitrate: 2 (două), cu dimensiunile 20 × 25 cm, grosimea de 0,5 cm, rezistente la o temperatură constantă de 750 oC.
În etapa studierii bibliografice și a analizării testărilor similare efectuate la nivel mondial, s-a recurs la utilizarea unei incinte de testare cu urmatoarele dimensiuni: lungimea 7 m, lățimea 64 cm, înălțimea 56 cm.
În figurile 3.4, 3.5 și 3.6 sunt redate reprezentările schemtice ale machetei tunel, în vedere și secțiune, iar în figura 3.7 o fotografie a machetei.
Figura 3.4. Vedere laterală sistem tunel. Dimensiunile sunt în [cm]
Figura 3.5. Macheta tunel în secțiune A-A. Dimensiunile sunt în [cm]
Figura 3.6. Macheta tunel în secțiune B-B. Dimensiunile sunt în [cm]
Figura 3.7. Fotografie a machetei tunel 1/10; se observă cele 2 suprafețe vitrate precum și cablurile termocuplelor și unitățile de calcul și intepretat date
Modalitatea de îmbinare a celor trei tronsoane constă în lipirea acestora cu un adeziv special rezistent la temperatură, de tip K 84, precum și în capsarea cu ajutorul unui capsator utilizat pentru îmbinările de materiale solide, pe bază de aer comprimat, de tip PREBENA, lucrând cu capse de maxim 55 mm (cele utilizate în cadrul îmbinărilor fiind de 35 mm) la o presiune de 8 bar.
3.3.3. Dispozitive de măsură (camera de termoscanare, camera de filmat, liniare de citire distanțe etc.). Mod de amplasare. Conexiuni externe și modalitatea de citire a datelor rezultate
Plecând de la aspecte ce țin de poluarea mediului, unul dintre combustibilii utilizați cu prioritate în cadrul testelor a fost etanolul, în urma a cărui ardere rezultă produse nepoluante pentru mediu.
C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O, (3.1)
Benzina și motorina utilizate nu sunt combustibili curați datorită multiplilor aditivi utilzați (de lubrifiere sau de creștere a performanțelor motoarelor), prin urmare nu sunt prietenoase mediului înconjurător și degajă mult fum în urma arderii.
Combustibil + Aer→Hidrocarburi + oxizi de azot + dioxid de carbon +
+ monoxid de carbon + apă, (3.2)
În vederea unei interpretări cât mai complexe a datelor rezultate, s-au utilizat multiple instrumente conexe de măsură, conform tabelului 3.2:
Tabelul 3.2.
Enumerarea instrumentelor de măsură utilizate în cadrul experimentelor
Cameră termoscanare Flir seria Tip FLUKE Ti 400
Camera de termoscanare Flir Tip FLUKE Ti 400 (reprezentată în figura 3.8) este un instrument de măsurare a temperaturii în infraroșu, cu vizualizare directă (nu se utilizează prin pereți sau alte obstacole), putând afișa temperaturi de până la 1 200 oC, într-o plajă a temperaturilor exterioare de la 20 oC la 120 oC, la o rezoluție de 320 × 420 pixeli.
Figura 3.8. Camera de termoscanare Flir seria Tip FLUKE Ti 400
Anemometru tip RS 327-0640
Acesta reprezintă un instrument de măsură al vitezei curenților de aer, având un domeniu de intepretare între 0,2 și 20 m/s, cu 5 unități de afișare selectabile și display dublu de afișare al temperaturii și vitezei măsurate, așa cum se pretintă în figura 3.9.
Figura 3.9. Anemometru tip RS 327-0640
Balanță electronică tip Kern cu precizie de 5 grame
Această balanță este folosită pentru a înregistra pierderea de masă din timpul arderii, în vederea calculării ulterioare a HRR aferentă combustibilului utilizat. Substanța a cărei pierdere de masă se calculează se așază pe un cântar distinct balanței, care este legat de aceasta printr-un cablu de date, conform figurii 3.10. Eroarea măsurată este de 5 grame.
Figura 3.10. Balanță electronică Kern, cu precizie de 5 grame
Înregistrator de date tip VR+18 Brainchild
Acest înregistrator de date este dotat cu afisaj LCD de 6,1 inch și maxim 18 canale analogice. Dispune de o memorie internă nevolatilă, iar conexiunea Ethernet se realizează la rețeaua locală sau internet, având o memorie maximă de 1 GB, reprezentat în figura 3.11.
Figura 3.11. Înregistrator de date tip VR+18 Brainchild
Figura 3.12. Imagine de ansamblu cu aparatura de măsură completă
Figura 3.12. detaliază aranjarea de ansamblu a aparaturii de măsură utilizate în vederea interpretării datelor rezultate în urma testelor.
3.3.4. Caracteristicile focarului
Unul din parametrii principali de care s-a ținut cont în configurarea focarului este reprezentat de HRR. Stabilirea HRR-ului s-a realizat cu ajutorul metodei de scalarizare anterior detaliate, plecând de la valoarea acesteia determinată în cadrul testelor la scară reală și calculând valoarea corespunzătoare scării 1/10 la care s-au efectuat experimentele. În acest sens, corespunzător unei valori a HRR de 5 MW aferențe unui autoturism real sunt aproximativ 15,84 kW ale unei machete auto scara 1/10. Machetele auto de plastic, deși corespund la scară, indiferent de procentajul de plastic conținut nu întrunesc cerințele din punctul de vedere al HRR redus la aceeași scară, după cum s-a arătat într-un capitol anterior, transformarea nefiind liniară.
Totodată, plasticul din care ele sunt realizate nu poate fi simulat ulterior, compozitia acestuia nepermițând modelarea și simularea cu ajutorul programului Pyrosim.
Ținând cont de cele anterior menționate, s-a recurs la alternativa utilizării de combustibil lichid, care reprezintă numeroase avantaje:
posibilitatea de calcul a HRR, prin prisma faptului că, utilizând o bază de date Excel cu proprietăți prestabilite ale combustibililor uzuali, s-a putut calcula HRR (heat release rate) aferent unei machete auto la scara 1/10, stabilindu-se astfel cantitatea exactă de combustibil ce trebuie incendiat, care să corespundă din acest punct de vedere;
totodată, lichidele utilizate (etanol, benzină, motorină) au proprietăți chimice și termodinamice clar definite, ceea ce face posbilă modelarea și simularea ulterioară pe calculator. Modul de ambalare este reprezentat în figura 3.13;
unul din lichidele folosite (etanolul) este un combustibil curat (fără aditivi), ceea ce a contat din punctul de vedere al protecției mediului.
Figura 3.13. Comercializarea etanolului utilizat la testări
Pe perioada incendierii ard, practic, doar straturile de vapori de la suprafața combustibilului lichid, făcându-l recomandabil pentru teste, în comparație cu materialele combustibile solide care ard în întreaga masă, degajând reziduuri complexe și fiind mai greu de observat, analizat și reprodus.
3.4.EFECTUAREA EXPERIMENTELOR PROPRIU-ZISE
3.4.1.Scopul experimentului
Scopul eperimentului a fost unul multiplu, urmărindu-se analizarea mai multor parametrii specifici unui eveniment tip incendiu ce poate surveni în cadrul unui tunel rutier, în anumite condiții cumulative.
În linii mari, scopul testărilor se poate rezuma după cum urmează:
determinarea indicatorilor de comportament specifici (temperaturi, dispersie și consistență a fumului, timpi de ardere, HRR);
determinarea experimentală a HRR-ului aferent combustibililor utilizați (etanol, motorină și benzină) utilizând balanța electronică de tip Kern cu precizie 5 grame care înregistrează pierderea de masă pe durata arderii;
stabilirea de conexiuni între parametrii măsurați, rezultatele obținute, compararea rezultatelor pentru diferite scenarii de teste, formularea concuziilor și propunerea direcțiilor ulterioare de cercetare.
3.4.2. Determinări experimentale ale ventilației naturale
Primele măsurători experimentale în ceea ce privește ventilația naturală existentă în tuneluri s-au realizat în decursul anului 2014, în luna august (considerată lună de tranzit turistic), în cadrul tunelului Capra-Bâlea de pe Transfăgărășan, în următoarele condiții:
temperatura interioară: 12 oC;
altitudinea: 2 035 m;
ora la care s-au inceput măsurătorile: 11:20;
ora la care s-au terminat măsurătorile: 11:40;
durata măsuratorilor: 20 minute;
modalitatea de deplasare: pe jos, parcurgând în întregime cei 860 m lungime ai tunelului Capra-Bâlea, pe mini-trotuarul special amenajat în partea dreaptă a sensului de mers dinspre judetul Sibiu înspre județul Argeș;
traficul rezultat în cadrul tunelului pe timpul măsurătorilor: 63 autoturisme, 2 autocare, 6 motociclete, 4 biciclete.
În figura 3.14. este prezentat instrumentul cu care s-a măsurat viteza curenților de aer din tunel, un anemometru Extech tip HD 350, cu multiple funcții de măsurare a vitezelor în diverse puncte, a temperaturii și a presiunii aerului, precum și cu funcții de memorare a datelor și posibilitatea de descărcare a acestora într-un sistem de date (calculator).
Figura 3.14. Anemometru Extech tip HD 350
Figurile 3.15-3.18 prezintă instantanee ale itinerariului realizat în scopul măsurării valorilor curenților de aer în cadrul tunelului Capra-Bâlea.
Figura 3.15. Imagini de la începutul măsurătorilor, ieșirea către județul Sibiu
Figura 3.16. Imagini din timpul efectuării măsurătorilor, în tunel
Figura 3.17. Imagini din timpul efectuării măsurătorilor, în apropierea de ieșirea către judeșul Argeș
Figura 3.18. Imagini din timpul efectuării măsurătorilor, la ieșirea către judeșul Argeș
Alegerea în ceea ce privește tunelul Capra-Bâlea ca locație de efectuare a măsurătorilor s-a efectuat din mai multe considerente:
este cel mai reprezentativ tunel turistic din țara noastră;
este cel mai lung tunel prezent în România, având o distanță de 860 m între capete;
altitudinea este una considerabilă, 2035 m, în medie, ceea ce influențează în mod semnificativ parametrii mediului exterior (temperatură, umiditate, presiune a aerului, curenți de aer), factori care se iau în calcul în cadrul simulărilor cu programul Pyrosim;
s-a ales efectuarea testărilor în plin sezon, dovadă că traficul înregistrat a fost unul semnificativ, menționat în cadrul unui paragraf anterior, aspect care se ia în calcul în ceea ce privește simularea evacuării dintr-un tunel cu aceste specificații și aglomerări de persoane.
Valorile curenților de aer înregistrate de anemometru au avut o variație medie între 0,2 și 3,62 m/s, așa cum se poate observa în figura 3.19.
Valoarea maximă (3,62 m/s) s-a înregistrat în următoarele conditii:
distanța față de intrarea în tunel: 10 m;
valoarea s-a atins numai în condițiile intersectării cu un auto circulând din sens opus, prin suprapunerea curenților creați de acesta cu cei naturali, aferenți intrării în tunel;
peretele drept al tunelului era incomplet, acesta constând doar din picioarele de susținere, fapt ce a permis curenților de aer să atingă viteze superioare datorită formei neregulate a tirajului creat și imposibilității formării efectului de tunel.
Variația vitezelor este redată în cadrul graficului din figura 3.19.
Figura 3.19. Variația vitezelor curenților de aer înregistrați de anemometru
Date fiind aspectele anterior menționate, s-a luat în calcul utilizarea valorii maxime a curenților de aer de 3,62 m/s, în vederea atingerii scenariului celui mai defavorabil atât pentru efectuarea experimentelor în cadrul laboratorului, cât și în cadrul simulărilor ulterioare.
Cea mai mică viteză a curenților de aer înregistrată de anemometru este de 0,3 m/s obținută la 400 m față de intrarea în tunel. O viteză apropiată de 3 m/s s-a evidențiat la aproximativ 35 de m față de intrarea în tunel, în momentul intersectării unui autoturism cu un autocar circulând din sens opus.
3.4.3. Calculul la scară al HRR și al vitezelor curenților de aer
Dat fiind scopul multiplu anterior menționat al prezentelor testări, precum și imposibilitatea de a extrage toți parametrii urmăriți dintr-o singură testare, s-a recurs la efectuarea unui număr de 13 teste, în diferite condiții și cu diferiți combustibili, în vederea acoperirii unei plaje cât mai largi de circumstanțe care să conducă la rezultate concludente în ceea ce privește specificul unui astfel de fenomen în anumite condiții date.
Date fiind considerentele (anterior menționate) pentru care nu s-au putut utiliza numai machete de plastic, s-a recurs la alegerea calculată a combustibilililor lichizi, după criteriul calculului de HRR (heat release rate) aferent unei machete la scară 1/10.
Calculul de combustibil necesar s-a realizat cu ajutorul unei baze de date Excel aparținând NRC (Nuclear Regulatory Commission) [159].
Calculul s-a realizat în ordinea inversă, plecând de la HRR (heat release rate) necesar echivalent unei machete scară 1/10 care, conform teoriei scalarizării menționate în cadrul capitolului 2, a rezultat o valoare de 15,81 kW, considerând că la scară reală valoarea medie a HRR (heat release rate) pentru un vehicul modern este de 5 MW, conform relației
unde QF și QM reprezintă HRR pentru modelul la scară reală și cel redus la scara 1/10, în kW, respectiv lungimile în m; indicele F reprezintă simbolul pentru full scalle (scară reală), iar M – pentru modelul redus la scară 1/10.
Programul are o bază cu combustibilii lichizi uzuali, iar în urma introducerii unor date de intrare minime (tipul combustibilului, volumul de lichid, suprafața de ardere, temperatura ambiantă), se obțin datele de ieșire dorite, astfel (din baza de date a programului):
rata de ardere a masei de combustibil;
căldura efectivă de combustie;
densitatea combustibilului.
Datele care pot fi obținute prin calcul cu ajutorul bazei de date Excel sunt următoarele:
HRR;
durata de ardere;
înălțimea estimativă a flăcării formate;
dimensiunea necesară a tăvilor în care se incendiază lichidele combustibile.
Dimensiunile tăvilor reprezintă, de fapt parametrul cel mai important în vederea stabilirii condițiilor esențiale ce trebuie respectate pentru a atinge nivelul corect al HRR pentru fiecare tip de combustibil, pentru a respecta suprafața de ardere care influențează în mod direct înălțimea flăcărilor precum și durata de ardere.
Figura 3.20. Interfața bazei de date Excel utilzate la calculul parametrilor aferenți suprafețelor de ardere
Programul Excel anterior detaliat în figura 3.20 a fost utilizat pentru calcularea cantității necesare, respectiv dimensionarea tăvilor aferente fiecărui combustibil utilizat în cadrul experimentelor.
Scenariile urmărite au vizat acoperirea mai multor condiții de testare, însă cu respectarea valorii HRR redus la scară de aproximativ 15 kW.
În stabilirea scenariilor s-au luat în calcul și utilizarea ventilației, determinată prin reducerea la scară (similitudinea Froude), utilizând relația
(3.4)
unde V și L reprezintă vitezele în m/s, repectiv lungimile scalarizate în m, iar F și M reprezintă simbolurile pentru full scalle (scară reală), respectiv modelul redus la scară 1/10.
Viteza curenților de aer redusă la scara 1/10 se nominalizează în următoarele conditii:
conform relației 3.4, după efectuarea calculelor, a rezultat o valoare a curenților de aer de 1,14 m/s;
distanța la care s-a măsurat viteza reală a fost de 10 m față de intrarea în tunel la o înălțime de 1,5 m (calculată la nivelul mediu al căilor respiratorii umane care sunt primele afectate de gazele toxice), prin urmare, respectând scalarizarea, în cadrul machetei de tunel ventilația s-a calculat la o distanță de 1 m și la o înălțime de 15 cm;
întrucât nu s-a putut menține o valoare constantă de 1,14 m/s, experimentele în cadrul machetei de tunel s-au realizat în condițiile unei ventilații de 1,2 m/s, cu ajutorul unui ventilator normal de cameră.
Combustibili utilizați și determinarea cantităților necesare
În cadrul testărilor s-a recurs la utilizarea combustibilililor lichizi (etanol, benzină și motorină), din motive multiple:
etanolul este un combustibil curat ce nu degaja reziduuri, ce se poate simula ulterior;
benzina și motorina degajă fum, ceea ce ar permite observarea dispersiei acestuia în diferite condiții;
nu în ultimul rând, aceste lichide se regăsesc în bazele de date ale programelor de simulare, ceea ce permite modelarea ulterioară, față de plastic (pentru cazul în care s-ar fi ales machetele auto), unde nu s-ar fi putut aplica nici calculul HRR la scară și nici simularea ulterioară.
Utilizând același algoritm de calcul, conform relațiilor 3.5 și 3.6, schema tăvilor în care s-au incendiat combustibilii, în vederea menținerii suprafeței de ardere si a volumului de lichid, este reprezentată în figura 3.21 și tabelul 3.2.
Figura 3.21. Schema tăvilor utilizate la incendierea lichidelor
Tabel 3.3
Dimensiunile tăvilor specifice fiecărui tip de combustibil lichid
În urma efectuării calculelor cu ajutorul interfeței Excel, în vederea respectării HRR (heat release rate) redus la scară 1/10, au rezultat următoarele cantități necesare de lichide:
etanol: 900 ml;
benzină: 1,3 l;
motorină: 1,5 l.
3.4.5. Desfășurarea propriu-zisă a experimentelor, număr de experimente, diferențe. Condiții și parametrii in care s-au derulat testările (temperaturi, umiditate, ventilație etc.) și algoritmul respectat în cadrul acestora.
În funcție de situația, condițiile și datele care a căror culegere s-a urmărit, testele s-au împărțit în 3 categorii, formate din 3, 7, respectiv 3 teste, după cum urmează:
primele 3 teste s-au realizat prin incendierea fiecarui combustibil lichid într-o tavă necalculată dimensional conform tabelului anterior, din lipsă de materiale și în condițiile crizei de timp cauzată de planificarea inițială. Respectiva tavă avea dimensiunile de 30 × 30 cm, forma acesteia fiind tronconică, prin urmare secțiunea nu a fost constantă de-a lungul întregii înălțimi a acesteia;
următoarele 7 teste au vizat obținerea rezultatelor tip indicatori de comportament la incendiu (temperaturi, stratificare fum și efluenți ai incendiului, înălțimea flăcărilor, curenți de aer, HRR) pentru un mediu de tip tunel rutier;
ultimele 3 teste s-au concentrat asupra determinării experimentale a HRR pentru etanol, benzină și motorină cu ajutorul balanței electronice de măsurare a pierderii de masă pe durata incendierii.
Testele s-au realizat în cadrul sediului URBAN-INCERC S.A., pentru acestea utilizându-se aparatele prezentate în figurile 3.8-3.12.
În cadrul testelor au luat parte, în permanență un număr mediu de 3-5 persoane, care au avut ca atribuții principale:
organizarea și monitorizarea pe întreaga durata a efectuării testărilor, notarea rezultatelor pe hârtie;
monitorizarea laptopului, a termocuplelor și a evoluției temperaturilor înregistrate;
cronometrarea testelor și notarea reperelor de timp esențiale (declanșarea capetelor-sprinkler, încetarea arderii);
aprinderea manuală și urmărirea stingerii de la sine a focarului;
asigurarea și verificarea funcționării utilităților;
executarea de fotografii și filme.
Ordinea generală a operațiilor, valabilă în cadrul fiecărui test, este următoarea:
verificarea aparatelor și a materialelor înaintea începerii testării:
începerea înregistrării datelor încă dinaintea aprinderii focarului;
culegerea datelor de temperatură, urmărirea stratificării fumului, a declanșării capetelor-sprinkler (acolo unde este cazul);
așteptarea răcirii machetei de tunel, a mediului de testare;
reluarea procedurilor anterior menționate pentru următorul test.
Pe tot parcursul experimentelor s-au efectuat numeroase fotografii cu aparate de rezoluții cuprinse între 8-16 MP, filmări cu aparate foto uzuale sau cu camere video dedicate precum și capturi cu camera de termoviziune, în cadrul fiecărui test în parte.
Focarul a fost aprins, de fiecare dată, cu ajutorul unei feștile, pe parcursul testelor măsurile de prevenție au constat în respectarea distanțelor de siguranță pentru evitarea accidentelor.
Considerând faptul că la pretestele efectuate s-a constatat defectarea a 2 termocuple, acestea au fost dublate astfel că termocuplul numărul 11 ocupă de fapt poziția 5.2. iar termocuplul numărul 12, poziția 9.2.
3.4.5.1.Testul numărul 1 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând etanolul în tava necalculată dimensional, în condițiile ventilației naturale
În cadrul primului test, etanolul s-a incendiat în tava necalulată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 30 × 30 cm;
cantitate etanol: 900 ml, conform calculelor date de interfața Excel;
ventilare: naturală;
număr de termocuple funcționale: 7;
Figura 3.22. Imagine din cadrul primului test, cu etanol
Figura 3.22 reprezintă o vedere de ansamblu din interiorul tunelului, în cadrul acestui test, iar în figura 3.23 este detaliată schema de amplasare a termocuplelor uilizate.
Figura 3.23. Extensie a înregistratorului de date către laptopul Dell
b)
c) d)
Figura 3.24. Schemă amplasare termocupluri și spinklere, împărțită în 4 tronsoane, în ordinea montării acestora, de la stanga la dreapta, astfel:
ultimul tronson de tunel, fără focar
b) latura stângă a tronsonului mijlociu, în care este poziționat și un sprinkler
c) latura dreaptă a tronsonului mijlociu, în care se află focarul și 2 sprinklere
d) partea dreaptă a ultimului tronson al tunelului
Figura 3.25. Valorile înregistrate de termocuple în timpul testului cu etanol
Figura 3.26. Valorile înregistrate de termocuple la nivelul sticlei termorezistente din dreptul focarului
Se observă că:
temperatura maximă atinsă depășește ușor valoarea de 450 oC, la nivelul sprinklerelui 2, în dreptul focarului, la o distanță de aproximativ 8 cm față de plafon, conform figurilor 3.25 și 3.26;
înălțimea flăcărilor atinge plafonul machetei de tunel, conform figurii 3.22, adică minim 50 cm de la baza tunelului.
3.4.5.2. Testul numărul 2 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând motorină în tava necalculată dimensional, în condițiile ventilației naturale
În cadrul celui de-al doilea test, motorina s-a incendiat în tava necalculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 30 × 30 cm;
cantitate motorină: 1,5 l, conform calculelor date de interfața Excel;
ventilare: naturală;
număr de termocuple funcționale: 8;
nu s-a utilizat camera de termoviziune în acest caz.
Figura 3.27. Imagini din cadrul testului cu motorină, în tava nedimensionată
Figura 3.28. Valorile înregistrate de termocuple în timpul testului cu motorină
În timpul experimentului s-a putut observa că:
temperatura maximă atinsă depășește ușor valoarea de 860 oC, la nivelul sprinklerelrui 3, în dreptul focarului, la o distanță de aproximativ 15 cm față de baza tunelului, conform graficului din figura 3.28;
înălțimea flăcărilor atinge plafonul machetei de tunel, conform figurii 3.27, adică minim 50 cm de la baza acestuia;
înălțimea stratului de fum coboară la mai mult de 20 cm față de plafonul tunelului, conform indicatorului trasat manual, ceea ce acoperă treimea superioară a plafonului machetei de tunel;
incendierea motorinei a fost una mult mai lentă decât cea a etanolului, deseori nereușind din prima încercare.
3.4.5.3. Testul numărul 3 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând benzină în tava necalculată dimensional, în condițiile ventilației naturale
În cadrul celui de-al treilea test, benzina s-a incendiat în tava necalculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 30 × 30 cm;
cantitate motorină: 1,3 l, conform calculelor date de interfața Excel;
ventilare: naturală;
număr de termocuple funcționale: 8;
nu s-a utilizat camera de termoviziune în acest caz.
Figura 3.29. Imagini din cadrul testului cu benzină, în tava nedimensionată
Figura 3.30. Valorile înregistrate de termocuple în timpul testului cu benzină
Dezvoltarea incendiului a pus în evidență următoarele aspecte:
temperatura maximă atinsă depășește ușor valoarea de 1 000 oC, la nivelul termocuplului 5.2, la nivelul plafonului, la o distanță de aproximativ 50 cm față de nivelul focarului, valoare observabilă din analiza graficului cuprins în figura 3.30;
înălțimea flăcărilor atinge plafonul machetei de tunel, adică minim 50 cm de la baza tunelului, lucru vizibil în cadrul figurii 3.29;
înălțimea stratului de fum coboară la aproape 20 cm față de plafonul tunelului, conform indicatorului trasat manual, ceea ce acoperă treimea superioară a plafonului machetei de tunel, conform figurii 3.29.
3.4.5.4. Teste incluzând machetele auto de plastic, scară 1/10, pentru determinarea HRR (heat release rate) cu ajutorul balanței electronice, respectiv pentru determinarea parametrilor de ardere pentru o machetă la scara 1/10, în condițiile ventilației naturale
În cadrul următoarelor două teste, machetele s-au incendiat în tava necalculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 30 × 30 cm;
cantitate etanol utilizată: 100 ml, pentru facilitarea aprinderii, în cadrul ambelor teste;
ventilare: naturală;
număr de termocuple funcționale: 8, necesare doar în cadrul testelor din macheta tunel;
s-a utilizat camera de termoviziune doar în cadrul testului din macheta tunel.
Figura 3.31. Imagini de la testul cu macheta auto, în cadrul tubulaturii de tunel, se observă incendiul dezvoltat în întreaga masă a mașinuței și etanolului
Figura 3.32. În partea stângă, imagine surprinsă de camera foto din care reiese dezvoltarea incendiului și dispersia stratului de fum, în partea dreaptă același moment surprins de camera termică, de unde reiese nivelul de temperatură instantanee de 681 oC
Figura 3.33. Graficul cu temperaturile înregistrate în urma testului cu macheta auto la scară 1/10
Figura 3.34. În partea stângă, imagine surprinsă de camera foto pentru testul cu macheta în vederea determinării HRR (heat release rate), în partea dreaptă același moment surprins de camera termică, de unde reiese maximul de temperatură atinsă de 849 oC
Calculul HRR (heat release rate) s-a efectuat cu ajutorul relațiilor (3.5) și (3.6).
(3.5.)
(3.6.)
unde HRR(Q) este rata eliberării de căldură în kW/m2, și reprezintă masa în kg, ΔHeff și hc reprezintă puterea calorifică în kJ/kg, γ este un coeficient de ardere adimensional, este timpul în secunde, A este aria tăvii în care s-a incendiat mașinuța și etanolul, în m2.
Figura 3.35. Valorile HRR rezultate în urma testului cu macheta auto la scară 1/10
Figura 3.36. Variația masei în funcție de timp rezultat în urma testului cu macheta auto la scară 1/10
Figura 3.37. Pierderea de masă în funcție de timp rezultat în urma testului cu macheta auto la scară 1/10
În urma testării cu macheta auto în cadrul experimentelor efectuate pe macheta de tunel rutier se pot concluziona următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 750 oC la nivelul focarului, comparabilă cu cea atinsă în cadrul incendiilor și testelor la scară reală ale autoturismelor în tunelurile rutiere, conform figurii 3.33;
înălțimea flăcărilor se apropie la 10 cm de plafonul machetei de tunel, conform figurilor 3.31 și 3.32;
înălțimea stratului de fum coboară la aproape 18 cm față de plafonul tunelului, conform indicatorului trasat manual, ceea ce acoperă treimea superioară a plafonului machetei de tunel.
În urma testării cu macheta auto în tava nedimensionată pentru determinarea experimentală a HRR (fig. 3.34.), s-au desprins următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 849 oC conform inregistrării camerei de termoviziune;
maximul HRR atins a fost de 47 kW conform figurii 3.36, triplu față de valoarea inițial măsurată, datorită faptului că macheta a fost construită din plastic iar pentru aprinderea acesteia s-au utilizat 100 ml etanol, care a contribuit la sarcina termică. Valoarea de 47 kW corespunde unui HRR însumat pentru 3 machete de autoturisme scara 1/10;
pierderea de masă medie înregistrată cu ajutorul balanței electronice a fost de 0,02 kg/min iar după 54 de minute practic întreaga masă a machetei s-a consumat prin incendiere, conform figurilor 3.36 și 3.37.
3.4.5.5. Testul numărul 5 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând etanol în tava dimensionată conform interfeței Excel, în condițiile ventilației naturale
În cadrul acestui test, etanolul s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 37 × 10 × 10 cm;
cantitate etanol utilizată: 900 ml, în vederea atingerii HRR de 15 kW;
ventilare: naturală:
număr de termocuple funcționale: 12;
s-a utilizat atât camera de termoviziune cât și cea de filmat, uzuală.
Figura 3.38. Imagini din timpul incendierii etanolului, în tava spcecial dimensionată, în condițiile ventilației naturale
Figura 3.39. Imagini ale aceluiași test, în partea stângă cadrul surprins cu camera video, în partea dreaptă același cadru surprins de camera de termoviziune
Evoluția temperaturilor aferente acestui test se poate rezuma conform figurii 3.40.
Figura 3.40. Evoluția temperaturilor aferente testului cu etanol în tava dimensionată, în condițiile ventilației normale
În urma incendierii etanolului, s-au desprins următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 580 oC conform inregistrărilor termocuplelor (fig. 3.39 și 3.40);
înalțimea flăcărilor a atins plafonul machetei de tunel, conform figurii 3.38;
nu s-a degajat fum, datorită faptului că etanolul este un combustibil lichid curat ce nu degajă reziduuri în urma arderii.
3.4.5.6. Testul numărul 6 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând etanol în tava dimensionată conform interfeței Excel, în condițiile ventilației forțate
Pentru acest test, etanolul s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 37 × 10 ×10 cm;
cantitate etanol utilizată: 900 ml, în vederea atingerii HRR de 15 kW;
ventilare forțată viteza curentului fiind de 1,2 m/s, calculată conform reducerii la scară, la distanța de 1 m față de intrarea în tunel, la înălțimea de 15 cm față de plafonul tunelului, cu ajutorul unui ventilator uzual de cameră;
număr de termocuple funcționale:12;
s-a utilizat atât camera de termoviziune cât și cea de filmat, uzuală, modalitatea de amplasare fiind reprezentată în figura 3.41.
Figura 3.41. Imagine din care se desprinde amplasarea camerelor video și de termoviziune, precum și a ventilatorului de cameră
Figura 3.42. Imagini ale aceluiași test, în partea stângă cadrul surprins cu camera video, în partea dreaptă același cadru surprins de camera de termoviziune, se observă influența ventilației asupra inalțimii flăcării și propagarea stratului de fum
Figura 3.43. Evoluția temperaturilor aferente testului cu etanol în tava dimensionată, în condițiile ventilației forțate
În urma incendierii etanolului în condiții de ventilație forțată, s-au desprins următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 350 o C conform înregistrărilor termocuplelor, figura 3.40, ceea ce reprezintă o scădere cu 40 % față de condițiile testării fără ventilare forțată, în conformitate cu figurile 3.42 și 3.43;
înalțimea flăcărilor a atins valoarea de 27 cm față de baza tunelului, reprezentând o scădere de aproape 50 % față de testarea în condiții de ventilare normală;
de asemeni, nu s-a degajat fum, datorită faptului că etanolul este un combustibil lichid curat ce nu degajă reziduuri în urma arderii.
3.4.5.7. Testul numărul 7 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând motorină în tava dimensionată conform interfeței Excel, în condițiile ventilației naturale
În cadrul acestui test, motorina s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 25 × 10 ×10 cm;
cantitate motorină utilizată: 1,5 l, în vederea atingerii HRR de 15 kW;
ventilare: normală;
număr de termocuple funcționale: 12;
s-a utilizat atât camera de termoviziune cât și cea de filmat, uzuală.
Figura 3.44. Imagini ale aceluiași test, în partea stângă cadrul surprins cu camera video, în partea dreaptă același cadru surprins de camera de termoviziune, în condițiile ventilației naturale
Figura 3.45. Grafic privind evoluția temperaturilor aferente testului cu motorină în tava dimensionată, în condițiile ventilației naturale
În urma incendierii motorinei, s-au desprins următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 610 o C conform înregistrărilor termocuplelor, detaliate în figura 3.45;
înalțimea flăcărilor a atins plafonul machetei de tunel, conform figurii 3.44;
nivelul stratului de fum a coborât până la 15 cm față de plafonul machetei de tunel.
3.4.5.8. Testul numărul 8 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând motorină în tava dimensionată conform interfeței Excel, în condițiile ventilației forțate
Pentru acest test, motorina s-a incendiat în tava calulată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 25 × 10 × 10 cm;
cantitate motorină utilizată: 1,5 l, în vederea atingerii HRR de 15 kW;
ventilare: forțată, viteza curentului fiind de 1,2 m/s, calculată conform reducerii la scară, la distanța de 1 m față de intrarea în tunel, la înălțimea de 15 cm față de plafonul tunelului, cu ajutorul unui ventilator uzual de cameră;
număr de termocuple funcționale: 12;
s-a utilizat atât camera de termoviziune cât și cea de filmat, uzuală.
Figura 3.46. Imagini ale aceluiași test, în partea stângă cadrul surprins cu camera video, în partea dreaptă același cadru surprins de camera de termoviziune, se observă influența ventilației asupra inălțimii flăcării și direcției de propagare a stratului de fum
Figura 3.47. Evoluția temperaturilor aferente testului cu motorină în tava dimensionată, în condițiile ventilației forțate
În urma incendierii motorinei în condiții de ventilație forțată, s-au desprins următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 440 oC conform inregistrărilor termocuplelor, detaliate în figura 3.48, ceea ce reprezintă o scădere cu 29 % față de condițiile testării fără ventilare forțată;
înalțimea flăcărilor a atins valoarea de 36 cm față de baza tunelului, reprezentând o scădere de 36 % față de testarea în condiții de ventilare normală, conform figurii 3.46;
stratul de fum a coborât la 12 cm față de plafonul tunelului, ceea ce a reprezentat o scădere de 40 % față de testarea în condiții de ventilare normală, conform figurii 3.46.
3.4.5.9.Testul numărul 9 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând benzină în tava dimensionată conform interfeței Excel, în condițiile ventilației naturale
În cadrul acestui test, benzina s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii 17 × 10 × 10 cm;
cantitate benzină utilizată: 1,3 l, în vederea atingerii HRR de 15 kW;
ventilare: naturală;
număr de termocuple funcționale: 12;
s-a utilizat atât camera de termoviziune cât și cea de filmat, uzuală.
Figura 3.48. Imagini din timpul testului cu benzină în condiții de ventilare naturală, se observă degajarea fumului prin partea superioară a uneia dintre ieșirile machetei de tunel
Figura 3.49. Imagini ale aceluiași test, în partea stângă cadrul surprins cu camera video, în partea dreaptă același cadru surprins de camera de termoviziune, în condițiile ventilației naturale
Figura 3.50. Grafic privind evoluția temperaturilor aferente testului cu benzină în tava dimensionată, în condițiile ventilației naturale
În urma incendierii benzinei, se desprind următoarele concluzii:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 550 oC conform inregistrărilor termocuplelor, detaliată în figura 3.50;
înalțimea flăcărilor a atins plafonul machetei de tunel, conform figurilor 3.48 și 3.49;
nivelul stratului de fum a coborât până la 18 cm față de plafonul machetei de tunel.
3.4.5.10. Testul numărul 10 pentru înregistrarea parametrilor specifici utilizând benzină în tava dimensionată conform interfeței Excel, în condițiile ventilației forțate
Pentru acest test, benzina s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 17 × 10 × 10 cm;
cantitate motorină utilizată: 1,3 l, în vederea atingerii HRR de 15 kW;
ventilare: forțată, viteza curentului fiind de 1,2 m/s, calculată conform reducerii la scară (relația 4), la distanța de 1 m față de intrarea în tunel, la înălțimea de 15 cm față de plafonul tunelului, cu ajuotul unui ventilator uzual de cameră;
număr de termocuple funcționale: 12;
s-a utilizat atât camera de termoviziune cât și cea de filmat, uzuală.
Figura 3.51. Imagini ale aceluiași test, în partea stângă cadrul surprins cu camera video, în partea dreaptă același cadru surprins de camera de termoviziune, se observă influența ventilației asupra inalțimii flăcării și propagare a stratului de fum
Figura 3.52. Evoluția temperaturilor aferente testului cu benzină în tava dimensionată, în condițiile ventilației forțate
În urma incendierii benzinei în condiții de ventilație forțată, s-au desprins următoarele:
temperatura maximă atinsă în cadrul machetei de tunel este de 460 oC conform inregistrărilor termocuplelor conform figurii 3.53, ceea ce reprezintă o scădere cu 29 % față de condițiile testării fără ventilare forțată;
înalțimea flăcărilor a atins valoarea de 28 cm față de baza tunelului, reprezentând o scădere de 50 % față de testarea în condiții de ventilare normală, conform figurii 3.52;
stratul de fum a coborât la 13 cm față de plafonul tunelului, ceea ce a reprezentat o scădere de 28 % față de testarea în condiții de ventilare normală;
Ultimul set de teste este reprezentat de determinarea experimentală a HRR pentru cele 3 tipuri de combustibili lichizi.
3.4.5.11. Test pentru determinarea HRR al etanolului, cu ajutorul balanței electronice
În cadrul testului, etanolul s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii 30 × 30 ×37 cm;
cantitate etanol utilizată: 900 ml;
ventilare: naturală, reprezentată în figura 3.53;
s-a utilizat doar camera video, camera de termoviziune fiind utilizată în paralel în cadrul celorlalte teste din macheta de tunel.
Figura 3.53. Imagini din timpul arderii etanolului pa balanța electronică, în vederea determinării experimentale a HRR
Figura 3.54. HRR rezultat în urma testului cu etanol, pe balanța electronică
Figura 3.55. Variația pierderii masice înregistrate în timpul testului cu etanol
Figura 3.56. Pierderea masică efectivă în unitatea de timp masice înregistrate în timpul testului cu etanol
În urma testării cu etanol în tava dimensionată pentru determinarea experimentală a HRR, s-au desprins următoarele:
maximul HRR atins a fost de 17 kW, ușor majorat față de valoarea inițial determinată, iar valoarea medie a fost de 13,69 kW, conform figurii 3.54 iar HRR mediu a fost calculat de programul Excel în urma interpretării rezultatelor aferente fiecărei unități de timp;
pierderea de masă medie înregistrată cu ajutorul balanței electronice a fost de 0,016 kg/min iar după 20 de minute practic întreaga masă a machetei s-a consumat prin incendiere, conform figurilor 3.55 și 3.56.
3.4.5.12. Test pentru determinarea HRR a motorinei, cu ajutorul balanței electronice
În cadrul testului, motorina s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 25 × 10 × 10 cm;
cantitate motorină utilizată: 1,5 l;
ventilare: naturală;
s-a utilizat doar camera video, camera de termoviziune fiind utilizată în paralel în cadrul celorlalte teste din macheta de tunel.
Figura 3.57. HRR rezultat în urma testului cu motorină, pe balanța electronică
Figura 3.58. Variația pierderii masice înregistrate în timpul testtului cu motorină
Figura 3.59. Pierderea masică efectivă în unitatea de timp masice înregistrate în timpul testtului cu motorină
În urma testării cu motorină în tava dimensionată pentru determinarea experimentală a HRR (heat relase rate), s-au desprins următoarele:
maximul HRR (heat release rate) atins a fost de 18,2 kW, ușor majorat față de valoarea inițial determinată, iar valoarea medie a fost de 13,59 kW, conform figurii 3.57 ;
pierderea de masă medie înregistrată cu ajutorul balanței electronice a fost de 0,018 kg/min iar după 28 de minute practic întreaga masă a machetei s-a consumat prin incendiere, conform figurilor 3.58 și 3.59.
3.4.5.13. Test pentru determinarea HRR a benzinei, cu ajutorul balanței electronice
În cadrul testului, motorinei s-a incendiat în tava calculată dimensional, în următoarele condiții:
dimensiunile tăvii: 17 × 10 × 10 cm;
cantitate benzină utilizată: 1,3 l;
ventilare: naturală;
s-a utilizat doar camera video, camera de termoviziune fiind utilizată în paralel în cadrul celorlalte teste din macheta de tunel.
Figura 3.60. HRR rezultat în urma testului cu benzină, pe balanța electronică
Figura 3.61. Variația pierderii masice înregistrate în timpul testului cu benzină
Figura 3.62. Pierderea masică efectivă în unitatea de timp înregistrate în timpul testului cu benzină
În urma testării cu benzină în tava dimensionată pentru determinarea experimentală a HRR (heat relase rate), s-au desprins următoarele:
maximul HRR (heat release rate) atins a fost de 20,2 kW, sensibil majorat față de valoarea inițial determinată, iar valoarea medie a fost de 13,49 kW, conform figurii 3.60;
pierderea de masă medie înregistrată cu ajutorul balanței electronice a fost de 0,021 kg/min, iar după 54 de minute practic întreaga masă a machetei s-a consumat prin incendiere, conform figurilor 3.61 și 3.62.
3.5.ANALIZARE, PRELUCRARE, COMPARARE ȘI INTERPRETARE A REZULTATELOR OBȚINUTE
3.5.1. Influența dimensiunilor tăvii alese asupra temperaturilor de ardere aferente fiecărui tip de combustibil
Din acest punct de vedere, în urma testelor s-au dovedit următoarele:
temperatura maximă atinsă de etanolul testat în tava calculată special este de 580 oC, față de 450 oC în tava nedimensionată, ceea ce demonstrează faptul că volumul și suprafața de ardere au influență directă asupra nivelului de temperatură atins;
temperatura maximă atinsă de motorina testată în tava calculată special este de 610 oC, față de 860 oC în tava nedimensionată. S-a observat că, în cazul benzinei testată în tava calculată special temperatura este de 1 000 oC, față de 550 oC în tava nedimensionată. În concluzie se constată că volumul și suprafața de ardere au influență directă asupra nivelului de temperatură atins, variind și în funcție de tipul combustibilului.
3.5.2. Influența utilizării etanolului asupra temperaturii și a HRR (heat release rate) în cadrul celor 2 teste de determinare a HRR (heat release rate) a machetelor auto
Cu privire la HRR (heat release rate) și temperatură, etanolul utilizat la aprindere a confirmat următoarea influență:
în cazul celor 2 teste de determinare a HRR pentru cele 2 masinuțe, temperaturile de 750 oC atinsă în tunel, respectiv 849 oC, în cadrul tăvii nedimensionate dovedesc faptul că cele 100 g etanol utilizate pentru ușurința aprinderii au o influența foarte mare asupra temperaturii maxime atinse, depășind temperaturile normale cu 200-300 oC. Valorile termice depășite s-au reperat din cadrul altor teste similare. O puternică influență a cantității adiționale de etaon se refelctă și asupra HRR, valoarea crescând de aproximativ 3 ori față de calculele inițial realizate;
după 55 minute, masa mașinuței s-a consumat în intregime prin procesul de ardere completă.
3.5.3. Rezultate comparative ale influenței ventilației forțate asupra temperaturilor rezultate în cadrul testelor
În cazul etanolului testat în tava special amenajată, în condițiile ventilației forțate, temperatura a scăzut cu 40 %, iar în cazul motorinei și a benzinei, aceeași comparație a rezultat o scădere a temperaturii cu 29 %, prin urmare etanolul este combustibilul cu cea mai mare reducere a temperaturii în cazul utilizării ventilației forțate.
3.5.4. Rezultate comparative ale influenței ventilației forțate asupra înălțimii flăcărilor rezultate în cadrul testelor
Fața de testele făcute în condițiile ventilației naturale, utilizarea ventilației forțate a redus inălțimea flăcărilor cu 50 % în cazul etanolului, 36 % în cazul motorinei și 50 % în cazul benzinei. În cadrul testelor cu etanol și benzina au rezultat flăcări de aceeași scădere procentuală a înălțimii, iar în cazul motorinei scăderea înălțimii acestora a fost mai mică cu 14 % decât cele aferente etanolului și benzinei.
3.5.5. Rezultate comparative ale influenței ventilației forțate asupra dispersiei stratului de fum rezultat în cadrul testelor
Fața de testele făcute în condițiile ventilației naturale, utilizarea ventilației forțate a redus coborârea stratului de fum cu 40 % în cazul motorinei, respectiv 28 % în cazul benzinei, etanolul nedegajând fum în nici una dintre situații.
3.5.6. Rezultate obținute în urma testelor de determinare HRR aferente celor 3 combustibili lichizi utilizați
În urma efectuării acestor teste au reieșit următoarele aspecte:
în cadrul testelor practice de determinare a HRR cu ajutorul balanței electronice, au rezultat valori maxime de 17 kW în cazul etanolului, 18,2 kW în cazul motorinei și 20,2 kW în cazul benzinei;
valorile medii ale HRR (heat release rate) au fost foarte apropiate, cuprinse între 13,49 kW pentru etanol și 13, 69 kW pentru benzină;
de asemeni, valorile pierderilor masice medii înregistrate au fost foarte apropiate în cazul celor 3 tipuri de combustibili folosiți, fiind cuprinse între 0,016 kg/min în cazul etanolului și 0,021 kg/min în cazul benzinei;
timpii de ardere completă în cadrul acestor teste au fost de 20 de minute pentru etanol, 28 de minute pentru motorină și 54 de minute pentru benzină.
3.5.7. Considerații asupra erorilor survenite în cadrul testărilor
Erorile există pretutindeni, indiferent de natura activității desfășurate, din considerente multiple (erori umane, ale aparaturii, erori de calcul). Acestea nu pot fi eliminate în totalitate, prin urmare, în vederea obținerii unor rezultate cât mai exacte, este necesar a se diminua erorile de orice natură pe cât posibil.
Măsurătorile efectuate care indică un procentaj semnificativ al erorilor înregistrate sunt cele de determinare ale HRR cu ajutorul balanței electronice pentru toate cele 3 tipuri de combustibili lichizi utilizați. În mod cert erori au existat și în cadrul celorlalte teste, însă nesemnificative și nu de natură a fi calculate cu precizie.
Valorile HRR minime și maxime înregistrate în cadrul ultimelor 3 teste au fost cuprinse între 13,49 kW pentru etanol, respectiv 13,69 kW pentru benzină. Dintr-un calcul simplu, raportat la valoarea teoretică rezultată inițial de 15,84 kW, reiese o diferență de 15 % pentru etanol, respectiv 14 % pentru benzină, acestea fiind valorile maxime, respectiv minime ale erorilor înregistrate.
Putem atribui aceste diferențe unor influențe multiple, după cum urmează:
erori ale aparatelor de măsură, prezentate în cadrul descrierii acestora, de unde reiese că erorile cumulate ale aparatelor de măsură sunt de +/- 4,5%.
erori ale interfeței de calcul Excel datorate unor supoziții și limitări de calcul, după cum urmează:
bazinul/suprafața de ardere se presupune a fi deschisă și caracterizată de implicarea instantanee în ardere a întregii arii de vapori ai combustibililor lichizi;
focul nu respectă toate etapele curbei standard, lipsind inițierea si dezvoltarea incendiului, prin urmare se analizează parametrii considerându-se etapa de ardere generalizată încă din prima secundă de ardere. Deși propagarea fazei de ardere generalizată se realizează destul de rapid față de momentul aprinderii, acest lucru constituie totuși o posibilă sursă de eroare în efectuarea calculelor;
supafața de ardere este circulară și conține o masă fixă, uniform distribuită a combustiblilului lichid. Dacă suprafața de ardere are altă formă în afara celei circulare, aceasta va fi în continuare aproximată ca fiind una circulară.
Diametrul echivalent al suprafeței de calcul pentru o suprafața necirculară se calculează confom relației (3.7),
(3.7)
unde Af este suprafața necirculară a bazinului ardere.
3.6. CONCLUZII
Prezentul capitol a presupus detalierea celor 13 teste efectuate într-o machetă de tunel 1a scara 1/10 cu dimensiunile 56 × 64 × 700 cm (l x h x L). Scopul principal al acesteor testări a fost determinarea indicatorilor de comportament la incendiu în cadrul unui tunel rutier, utilizând metoda Froude a scalarizării.
Condițiile de desfășurare și scopul acestora au determinat împărțirea acestora în 3 mari categorii, astfel teste desfășurate în tava nedimensionată, teste desfășurate în tăvile special dimensionate pentru fiecare lichid în vederea atingerii HRR (heat release rate) de aproximativ 15 kW, având ca scop determinarea indicatorilor de comportament specifici la incendiu și teste de determinare a HRR pentru fiecare lichid combustibil în parte.
S-a reliefat faptul că benzina a presupus cea mai mare temperatură de ardere (1 000 oC), precum și faptul că utilizarea ventilației forțate are o influență directă asupra temperaturilor, înălțimii flăcărilor și a dispersiei stratului de fum degajat. În cazul motorinei și a benzinei, s-au înregistrat procente semnificativ mai mici față de aceleași testări în condițiile ventilației naturale.
Calcularea ventilației a plecat de la determinarea experimentală la scară reală a ventilației existente, în anumite conditții de timp și trafic, în cadrul tunelului Capra-Bâlea de pe Transfăgărășan, urmată de utilizarea aceleiași similitudini Froude în vederea stabilirii nivelului ventilației reduse la scara 1/10.
Determinarea experimentală a HRR cu ajutorul balanței electronice Kern cu precizie de grame a oferit un minim de 13,49 kW pentru etanol, reprezentând o eroare de 15 % față de valoarea numeric calculată cu ajutorul similitudinii Foude, marjă acceptabilă pentru acest tip de cercetări, ținând cont de marjele de eroare ale aparatelor de măsură (specificate în prezentul capitol), de marja de eroare datorată ipotezelor de lucru luate în considerare la utilizarea programului Excel pentru datele de ardere ale combustibililor lichizi și nu în ultimul rând de eroarea umană.
Pe durata testelor s-a avut în vedere inclusiv aspectul ecologic, urmărindu-se reducerea poluării mediului înconjurător prin utilizarea etanolului pentru o parte dintre teste, precum și prin efectuarea de experimente la scară redusă.
Folosirea etanolului are, în acest caz, dublu avantaj, în ideea în care, utilizând cantități comparabile, s-au obținut rezultate similare, ceea ce recomandă utilizarea acestuia și pentru teste ulterioare în scop similar.
Plecând de la calculul interfeței Excel, duratele în care parametrii studiați au fost atinși au fost de aproximativ 20 de minute pentru fiecare combustibil, fapt care s-a adeverit în timpul experimentelor, iar acolo unde testările au depășit această durată (în cazul benzinei), rezultatele ulterioare nu au atins valori semnificative față de cele înregistrate în primele 20 de minute ale testărilor.
S-a constatat faptul că graficele rezultate în urma tuturor testelor respectă curba standard de incendiu durată-timp prezentată în cadrul figurilor 2.3-2.4.
În cadrul testărilor au fost implementate și sprinklere care, chiar dacă nu au făcut obiectul principal al acestei cercetări, au ajutat la furnizarea de informații referitoare la timpul și temperatura de activare (85-89 oC), precum și la influența ventilației, în cazul utilizării acestora, asupra parametrilor de declanșare anterior menționați.
Contribuțiile originale constituie cea mai însemnată parte a acestui capitol, aportul adus alcătuind aproape în totalitate componența acestuia.
CAPITOLUL 4
ANALIZE DE SIMULARE NUMERICĂ PRIVIND SECURITATEA LA INCENDIU A TUNELURILOR RUTIERE
Capitolul de față dezvoltă multiple analize experimentale și de simulare numerică, care au ca principal scop obținerea informațiilor caracteristice dezvoltării unor incendii în cadrul tunelurilor rutiere.
Preocupările în acest domeniu sunt destul de recente, prin urmare rolul acestor studii este să completeze analize similare, aplicate însă altor tipuri de spații la subsol, cum ar fi parcajele de mașini sau stațiile de metrou.
4.1 NOȚIUNI DE SECURITATE LA INCENDIU A TUNELURILOR RUTIERE
În capitolele anterioare s-a prezentat importanța tunelurilor rutiere ca obiective în deplină dezvoltare, atât din punct de vedere strategico-economic cât și al riscurilor pe care acestea îl presupun. Ingineria securității la incendiu se poate aplica cu succes și în acest caz, rolul acesteia fiind stabilirea modalității de protecție la incendiu pentru tuneluri rutiere.
Acesta are în vedere, pe de o parte, protecția vieții (scopul principal al echipelor profesioniste de intervenție), iar pe de altă parte protecția proprietății și a mediului. Din punct de vedere al proprietății, dat fiind faptul că în cadrul unui tunel rutier nu se supune riscului decât construcția în sine, fără posibilități extinse de afectare și a altor obiective învecinate, face ca principala preocupare să se axexe strict pe protejarea vieții utilizatorilor, dar și a pompierilor care trebuie să intervină în aceste situații.
Conform reglementărilor existente, tunelurile rutiere, în funcție de complexitatea lor, sunt prevăzute cu instalații centralizate de semnalizare a incendiilor, dotate cu detectoare termice și de fum sau gaze de ardere. Centralele de semnalizare sunt instalate în camera dispeceratului local sau în punctul de comandă aflat la distanță, acolo unde organizarea a impus în acest mod. În interiorul tunelurilor rutiere lungi și cu mai multe sensuri de mers sau benzi pe sens de mers se folosesc instalațiile de stins cu sprinklere și sunt racordate la rețeaua de apă pentru incendii din stație, sau la cea mai apropiata rețea publică.
Utilizarea apei la stingere devine o măsură de dotare standard, mai ales având în vedere faptul că pentru stingerea incendiilor izbucnite în obiectivele tunelului s-au prevăzut și hidranți de incendiu interiori, care sunt amplasați:
în tunelurile sau galeriile de circulație, la distanța de maxim 250 m unul de celălalt, în dreptul lămpilor de siguranță;
hidranții sunt dotați cu 20 m furtun tip „C”, având țeava cu ajutaj pulverizator;
robineții acestor hidranți sunt montați pe pereți, la înălțimea de 1,4 m de la pardoseală.
De asemenea, din literatura de specialitate, după cum s-a precizat mai sus, reiese că astfel de sisteme cu ceață de apă se folosesc și sunt propuse pentru protecția stațiilor de metrou, tunelurilor și a parcajelor subterane, în toată lumea.
4.2. CERCETĂRI DE SIMULARE A INCENDIULUI
4.2.1 Câteva noțiuni despre programul de simulare Pyrosim
Programul Pyrosim este interfața grafică a programului FDS (Fire Dynamic Simulator), foarte utilă specialiștilor în securitate la incendiu, oferind date susținute matematic cu privire la implicațiile uzuale aferente unui incendiu:
– temperaturi (ale aerului, ale suprafețelor);
– concentrații (de oxigen, de gaze de ardere, de fum);
– vizibilitate, strâns legată de cantitatea de fum;
– presiuni (ale diferitelor spații, presiuni exercitate de diferite surse tip ventilator etc.);
– câmpuri de temperatură, presiune și alte elemente.
4.2.1.1. Domenii de aplicare și aporturi aduse de programul Pyrosim
Ținând cont de cele de mai sus, programul Pyrosim se poate întrebuința pentru o multitudine de scopuri, pe o multiple de tipuri de structuri, în diverse domenii de cercetare, precum:
– reconstituirea și investigarea unor incendii;
– dezvoltarea și propagarea incendiilor (flăcări, conul produselor de ardere, propagarea și împrăștierea flăcărilor) în spații închise și în spațiu liber (incendii industriale și de pădure);
– mișcarea curenților de aer în compartimentele incendiate;
– mișcarea aerului și a gazelor în construcții în absența incendiilor (instalații de ventilare și climatizare);
– incendii în tuneluri (de metrou, feroviare și rutiere);
– ingineria utilizării curenților de aer;
– dispersia atmosferică;
– detecția fumului în construcții;
– sisteme de stingere a incendiilor cu sprinklere și ceață de apă [40].
Figura 4.1. Proiectarea unui spațiu semi-închis (tunel rutier), folosind programul Pyrosim, pentru studii de securitate la incendiu
Figura 4.1 prezintă instantaneul grafic obținut în urma desenării tunelului rutier în programul de simulare. Se observă faptul că programul Pyrosim are posibilitatea de implementare în structura desenată și în calcul a mai multor tipuri de detectori obișnuiți în situații de analiză a securității la incendiu: detectoare de temperatură, sprinklere, pulverizatoare, termocuple, senzori de presiune și temperatură, guri de ventilare cu ventilatoare încorporate, trape de evacuare a fumului etc.
Beneficiile aduse utilizatorilor deprinși în a utiliza programul sunt foarte mari, putându-se obține rezultate corecte doar prin folosirea tehnicii de calcul, neutilizându-se arderi la scară reală, distructive și nerepetitive.
FDS este un software de simulare dinamică a fluidelor, respectiv a fluxului termic degajat de incendiu. Modelul rezolvă numeric o formă a ecuațiilor Navier-Stokes pentru viteză redusă, flux termic degajat și evoluție a fumului. Derivatele parțiale ale ecuațiilor de conservare a masei, momentului și energiei sunt aproximate ca diferențe finite, iar soluția este avansată în timp pe o rețea tridimensională, rectilinie.
4.2.1.2. Nucleul matematic de bază folosit de programul Pyrosim
Programul folosește un algoritm bazat pe următoarele ecuații
– conservarea masei,
, (4.1)
– conservarea momentului (a doua lege a lui Newton),
, (4.2)
– conservarea energiei (prima lege a termodinamicii),
, (4.3)
– ecuația de stare a gazelor perfecte,
, (4.4)
Ecuațiile de mai sus reprezintă un sistem de ecuații diferențiale neliniare cu derivate parțiale care constă în șase ecuații cu șase necunoscute, toate funcții de trei dimensiuni în spațiu și timp: densitatea , cele trei componente ale vitezei u – u, v, w, temperatura T și presiunea p.
Entalpia h este o funcție de temperatură,
(4.5)
În cele ce urmează se prezintă o scurtă descriere a termenilor utilizați în ecuațiile de mai sus: cp – căldura specifică la presiune constantă în J/kg K, fb – vectorul forțe externe pe unitatea de volum (exclusiv forțele de greutate) în N/m3, g – vectorul accelerație gravitațională ( 0, 0, – g) în m/s2, – rata de producere a gazelor de ardere pe unitatea de volum în kg/s/m3, – vectorul flux de căldură înW/m2, – rata de eliberare a căldurii pe unitatea de volum în W/m3, – fluxul de căldură folosit de gazele de ardere pentru aprindere și continuarea arderii în W/m3, R – constanta universală a gazelor, t – timpul în s,– rata de disipare în W/m3, – tensorul de vâscozitate în N/m2 și h – entalpia in J/kg.
Radiația termică este calculată folosind tehnica volumului finit pe aceeași rețea. Pentru a simula mișcarea fumului și descărcarea sprinklerelor se folosește metoda de studiu Lagrange.
Utilizând modelarea numerică a incendiilor în câmp pot fi calculate temperatura, densitatea, presiunea, viteza și compoziția chimică pentru fiecare celulă, la fiecare unitate de timp preselectată ca interval. Pot fi inserate milioane de celule și se efectuează mii, până la sute de mii de iterații. Datele tipice de ieșire pentru faza gazoasă includ:
temperatura gazului;
viteza gazului;
concentrația gazelor;
concentrația fumului și estimarea vizibilității;
presiunea;
rata de eliberare a căldurii în unitatea de volum;
fracția de amestecare;
densitatea gazului;
masa picăturii de apă pe unitatea de volum.
La suprafețele solide, modelarea numerică a incendiilor are ca rol principal adiționarea asociate cu bilanțul de energie între faza gazoasă și solidă, incluzând:
temperatura suprafeței și interiorului;
fluxul de căldură, atât radiativ cât și convectiv;
rata de ardere;
masa picăturii de apă pe unitatea de suprafață.
Cantitățile globale înregistrate de model includ:
HRR;
timpii de activare a sprinklerelor și detectoarelor;
fluxul de masă și energie prin deschideri sau solide.
4.2.2. Implementarea și rularea în Pyrosim a scenariului de incendiu
Conform scenariului anterior amintit, în tunelul rutier considerat are loc un incendiu. Următoarele pagini prezintă toate informațiile care sunt introduse programului, pentru ca acesta, prin rulare, să ofere rezultate cât mai realiste. În mod uzual, datele de intrare care trebuie să fie introduse în program se referă în principal la valorile prevăzute în tabelul 4.1.
Tabelul 4.1.
Datele de intrare în programul Pyrosim pentru simularea incendiului din stația din tunelul rutier considerat
Figura 4.2. Vizualizarea în programul Pyrosim a focarului folosit în simulare
După introducerea tuturor datelor din tabelul 4.1, s-a dat comanda de începere a rularii programului. Simularea s-a realizat cu ajutorul unui număr de 98 688 de celule, luând în calcul un timp de simulare de 200 de secunde. Pentru vizualizarea rezultatelor a fost folosit utilitarul Smokeview, care face parte din pachetul freeware FDS, conform figurii 4.2. Simularea a fost rulată pe un calculator cu procesor de 2 000 MHz Intel Core 2 Duo și memorie RAM de 1 920 MB.
4.2.3. Obținerea și interpretarea rezultatelor obținute în urma simulării
4.2.3.1. Rezultate ale valorilor de temperatură
Din aeastă simulare reies date cu privire la la evoluția fumului și la calitatea aerului respirat (procentajul de concentrație de oxigen), iar datele cu privire la temperatură au fost realiste, ținând cont de condițiile simulării (conform figurii 4.3, valoarea în focar a temperaturii este de 370 °C). Aceste rezultate de temperatură se întâlnesc datorită dimensiunilor relativ mari ale celulelor de calcul (date din tabelul 4.1: 0,5 × 0,5 × 0,5 m).
Figura 4.3. Rezultate obținute la în cadrul simulării pentru obținerea valorilor de temperatură
Valorile de temperatură pentru această a treia simulare au fost concludente și comparabile cu valorile de temperatură obținute în teste dezvoltate în studii internaționale de prestigiu. Dat fiind numărul mare de celule și dimensiunea mică a acestora, în 6 ore, au fost rulate cele 200 de secunde din simulare. Având în vedere că focarul a fost considerat de putere constantă (1 500 kW/m2) și în condițiile date (limite deschise pe toate laturile), s-a considerat că nu se pot obține valori mai mari de temperatură. Valoarea maximă de 370 °C a fost obținută începând cu secunda 10 a simulării, moment din care valoarea maximă de pe bara cromatică (fig. 4.3) a rămas constantă.
S-au obținut astfel în focar valori de până la 370 °C la nivelul flăcării, iar la aproximativ 1,5 metri distanță de focar, la nivelul plafonului (poziția termocuplului) s-au obținut valori medii de 300 °C [161, 162, 163].
Celelalte termocupluri identificate în figura 4.3, au înregistrat valori sub limita de 55 °C. Prin urmare, în urma simulării se constată faptul că se respectă criteriul stabilit în concluziile capitolului 2: temperatura aerului să fie mai mică sau egală cu 65°C.
Dat fiind faptul că temperatura nu depășește 300 °C la plafon, se respectă și criteriul de rezistență al tunelului rutier: să nu se ajungă la fenomenul de flashover – temperatura gazelor la partea superioară a compartimentului să nu atingă valoarea de 600 °C sau radiația la nivelul podelei să nu ajungă la 20 kW/m2.
4.2.3.2. Rezultate referitoare la evoluția fumului în caz de incendiu
În figurile următoare (4.4. – 4.5.) se detaliază rezultatele simulării referitoare la evoluția fumului pentru scenariul creat.
După cum se vede în figura 4.4, la secunda 25 deja fumul pătrunde în spațiul utilizat coborând de la nivelul plafonului, întinzându-se pe o lungime de 17 m pe orizontală și coborând până la o înălțime de 2,5 m față de podeaua tunelului.
Revenind la condițiile de securitate, la secunda 25 a simulării stratul de fum este destul de gros, însă nu depășește 2,5 m, prin urmare pe podeaua tunelului se respectă criteriul enunțat în finalul capitolului 2 (grosimea stratului de fum să nu ajungă mai aproape de 2 m de podea).
Figura 4.4. Vizualizarea evoluției fumului în cadrul incendiului la tunelul rutier considerat, la secunda 25 de la inițierea simulării
Figura 4.5. Vizualizarea evoluției fumului la secunda 100 a simulării, în întreg tunelul rutier. Vedere din interior, de la una din intrările tunelului, cu programul programul Smokeview
Figura 4.5 prezintă în continuare evoluția fumului în interiorul tunelului rutier. Din analiza acestora și a tuturor informațiilor obținute în urma simulării, se concluzionează că singurul spațiu care prezintă probleme în ceea ce privește evacuarea, este reprezentat de partea carosabilă, utilizabilă de către persoane pentru evacuare. Prin urmare, trebuie găsită o metodă de protecție a acesteia, astfel încât să rămână un spațiu potrivit pentru evacuare. Se propune cu succes protecția părții carosabile, cu ajutorul unei perdele de apă formată din duze care refulează ceață de apă.
În mod normal, atmosfera conține aproximativ 21 % oxigen. Fără oxigen nu poate avea loc nici o ardere, însă nu este posibilă nici viața. Din studiile de specialitate, s-a agreat că o valoare de 15% procent de oxigen în aer este valoarea limită la care respirația poate avea loc în mod normal. După cum se prezintă în capitolul 2, pentru perioade relativ scurte de timp, se acceptă și valoarea de 12 % procente de oxigen în aer.
În cadrul simulării, s-a implementat și un analizor de gaze. Aflându-se la distanța de aproximativ 1 m de focar, a înregistrat valori corespunzătoare unei situații reale. Având în vedere durata simulării, se consideră realiste valorile din figura 4.6.
Figura 4.6. Procentaj de oxigen în aer obținut de analizorul de gaze aflat cel mai aproape de focar, în cadrul simulării fără sprinklere
Analizând însă valorile din graficele obținute în toate simulările precedente, se observă că analizorul de gaze implementat în zona focarului a înregistrat valori de oxigen chiar și sub 12 %, la secunda 50 a simulării, conform graficului aferent figurii 4.6. Prin urmare, criteriul în acest spațiu (apropierea focarului) nu se respectă, deci este necesar să se impună măsuri de protecție a zonei respective contra fumului și gazelor fierbinți. Așasar, se impune protecția folosind o perdea de ceață de apă.
4.2.4 Rezultate ale simulării protecției la incendiu a căilor de evacuare, prin utilizarea sprinklerelor
Având în vedere faptul că, în urma simulărilor efectuate, s-a stabilit că spațiul conținând calea utilizabilă a tunelului rutier nu respectă două dintre criteriile enunțate la finalul capitolului 2 (cantitate de fum și procent de oxigen), se propune să se ruleze o simulare în care să se introducă 2 sprinklere, care să formeze prin refulare, o barieră de protecție împotriva fumului și gazelor fierbinți. Metoda este astăzi folosită în mai multe domenii, însă nu a fost încă aplicată pentru protecția persoanelor aflate în proces de evacuare din tunelurile rutiere.
Datele de intrare pentru simulare sunt identice cu cele prezentate în tabelul 4.1, cu capete de refulare ce au fost importate din biblioteca programului FDS, cu un debit de un litru pe minut și un diametru mediu al picăturilor de 100 μm. Sprinklerele se declanșează la temperatura de 65 °C, temperatură care a fost introdusă manual în Pyrosim ca specificație esențială a sprinklerelor instalate. Scenariul este redat în figurile 4.7 și 4.8.
Figura 4.7 Detaliere a capetelor sprinkler utilizate în vederea creării ceței de apă
Figura 4.8 Acțiunea capetelor sprinkler utilizate în vederea creării ceței de apă
De asemenea, procentul de oxigen crește odată cu folosirea perdelei de ceață de apă, lucru confirmat de graficul realizat de analizorul de oxigen (fig. 4.6).
Figura 4.9. Procentaj de oxigen în aer obținut de analizorul de gaze aflat cel mai aproape de focar, în cadrul simulării cu sprinklere
S-a obsercat că, în cazul simulării care a presupus existenta sprinklerelor, analizorul de gaze a înregistrat o creștere constantă a procentului de oxigen din aer începând cu secunda 53, moment apropiat de cel al lichidării incendiului de către sprinklere, dovadă a faptului că utilizarea ceței de apă micșorează procentul de fum si gaze nocive din aerul viciat.
4.3. CONCLUZII
În prezentul capitol s-a recurs la simularea numerică a unui incendiu într un tunel rutier, evidențiindu-se valorile rezultate în anumite condiții date. Scenariul a pornit de la premiza incendierii unui autoturism staționar la mijlocul unui tunel rutier lung de 200 m, din cauza unui scurtcircuit electric. S-a luat în calcul un număr de 30 de autoturisme existente în tunel.
Temperatura obținută a ajuns la valoarea de 370 °C în nucleul focarului, respectiv 300 °C la nivelul tavanului. Timpul total de ardere a fost de 45 de secunde, după care a fost stins de sprinklere.
S-a luat în calcul timpul și distanța pe care fumul se extinde precum și nivelul oxigenului atins în aer, constatându se că utilizatorii pot fi puși în pericol datorită lipsei de oxigen.
Utilizarea sprinklerelor devine esențială în acest caz.
În literatura de specialitate și în cercetările practice au avut loc o mulțime de discuții teoretice cu privire la influența curenților de aer asupra protecției cu ceață de apă – se presupune că picăturile de apă sunt foarte mici și în consecință sunt purtate de curenții de aer, nemaiputând să își îndeplinească scopul – răcire sau protecție. În orice caz, se cunoaște faptul că ceața de apă permite filtrarea și blocarea fumului, astfel încât ar fi posibilă păstrarea unui procentaj rezonabil de oxigen în aer.
S-a urmărit studierea nivelului temperaturii, a evoluției fumului, a timpilor de ardere și de dispersie ai stratului de fum și nivelul procentajului de oxigen din aer în aceste condiții, întregul scenariu de simulare putând fi considerat drept contribuție originală a autorului.
CAPITOLUL 5
ANALIZE EXPERIMENTALE ȘI DE SIMULARE NUMERICĂ CU PRIVIRE LA EVACUAREA TUNELURILOR RUTIERE
5.1. GENERALITĂȚI ASUPRA COMPORTAMENTULUI PERSOANELOR LA EVACUAREA ÎN SITUAȚII DE URGENȚĂ
Procesul de evacuare implică adoptarea de multiple comportamente de către utilizatorii surprinși în diverse incinte.
Spre deosebire de alte structuri ale căror număr de persoane ce le tranzitează periodic poate fi anticipat, în cazul tunelurilor rutiere acest lucru nu se poate face decât cel mult estimativ, întrucât traficul rutier depinde de mai mulți factori cum ar fi sezonul, momentul zilei, ziua din cadrul săptămânii etc.
În figura 2.11 s-au reliefat câteva elemente ale graficului capacității de supraviețuire pentru potențialele victime suprinse de o situație de urgență în cadrul unui tunel rutier.
Mai jos, în figura 5.1, persoanele care încearcă să se salveze au la dispoziție la evacuare doar o mică perioadă din durata totală disponibilă. Astfel, se identifică durate separate precum cea de premișcare (care conține fazele de recunoaștere și răspuns) înainte de a se pune în mișcare. Această durată diferă de la o persoană la alta, de la un grup la altul, de la o situație la alta. Se analizează în cele ce urmează situații care pot interveni în comportamentul persoanelor, atât înainte de mișcare, cât și după mișcare (în timpul efectiv de mișcare).
Figura 5.1 Prezentare grafică a diferitelor componente ale duratei de evacuare
Sub formă matematică, figura 5.1 poate fi explicată prin ecuația (5.1)
Tevacuare Tdetectie Talarmare Trecunoastere Traspuns Tmiscare Tsiguranta , (5.1)
În ecuația de mai sus, T reprezintă durata și se măsoară în secunde. Fiecare element din ecuație reprezintă segmente din figura 5.1. Se observă cât de puțin reprezintă de fapt mișcarea propriu-zisă spre evacuare, din timpul total de evacuare.
5.1.1. Diverse comportamente manifestate la evacuare
În vederea stabilirii unor modele matematice valide ale evacuării, din studiile de specialitate s-a extras posibilitatea dezvoltării în ordine a următoarelelor comportamente:
se simt inițial în siguranță;
caută informații;
prezintă sindromul „focului prietenos”;
se pregătesc înainte de evacuare;
se grăbesc spre evacuare dacă văd fum / flăcări;
acționează rațional și altruist;
se deplasează către familiar;
prezintă un comportament de turmă;
prezintă comportamente de ascultare a unui lider;
dacă știu că există o cale de evacuare disponibilă acolo, oamenii intră în fum (sau apă);
evită ieșirile necunoscute;
respectă indicațiile personalului tunelului rutier, dacă acesta are autoritate și reacționează convingător;
se opresc, din diferite motive;
circulă în sens opus mișcării celorlalte persoane care se evacuează;
cară bagaje grele sau le abandonează pe calea de evacuare;
prezintă comportament de panică;
prezintă comportament competitiv;
prezintă comportament de așezare la coadă;
trec cu vederea unele ieșiri alternative;
oamenii au diferite tendințe de a acționa atunci când conștientizează că este vorba de un incendiu și este necesar să se evacueze.
Mai întâi, atunci când un incendiu are loc într-o clădire, răspunsul inițial al persoanelor este dobândirea sentimentului de siguranță. Fenomenul, cunoscut și sub numele de „înclinare către normalitate”, stipulează că oamenii în orice tip de criză tind inițial să interpreteze situația în care se află ca fiind sigură, sau să o aducă la acest nivel. Atunci când utilizatorii procesează informații insuficiente, tendința către normalitate este posibil să se extindă pentru perioade mai lungi de timp, astfel încât utilizatorii rămân în interiorul construcției [116, 118].
S-a constat existența a cinci comportamente principale pe care persoanele le adoptă în cazul unei autoevacuări:
Comportamentul numărul 1: Întotdeauna primează siguranț în propriul mediu. Când există informații ambigue, persoanele surprinse în incendii încearcă să obțină mai multe informații despre ce anume se întâmplă prin adresarea de întrebări altor utilizatori, formarea grupurilor etc.
Comportamentul numărul 2: Se inițiază acțiuni de căutare de informații, în special atunci când datele primite nu sunt sigure.
Comportamentul numărul 3: Oamenii acționează rațional și altruist în timpul diverselor situații de urgență.
Comportamentul numărul 4: Există tendința ca oamenii să se implice în activități de pregătire a bunurilor personale înainte să înceapă evacuarea propriu-zisă (cum ar fi verificarea bagajelor, luarea actelor de indentitate etc.).
Comportamentul numărul 5: Odată începută activitatea de evacuare, utilizatorii se deplasează către zonele familiare lor (de exemplu, persoanele care de obicei folosesc o singură ieșire a tunelului rutier, o vor folosi tot pe aceea și pentru evacuare, chiar dacă nu este varianta optimă și sigură).
5.1.2. Influențe date de elementele de construcție asupra comportamentului uman în cazul evacuării
Găsirea căii de evacuare depinde, în principal, de 4 factori:
complexitatea planului construcției (exemplu: coridoare cu multe ramificații laterale);
gradul de diferențiere arhitecturală;
folosirea semnelor de evacuare;
accesul vizual (de exemplu transparența ușilor de evacuare).
Apoi:
evacuarea este atribuită ieșireii principale, care este în mod normal utilizată ca intrare;
apoape în toate incendiile cu victime ieșirea principală a fost blocată de fumul și căldura de la incendiu;
persoanele au tendința să se evacueze prin zone inundate cu fum;
ieșirile neutilizate în mod normal tind să fie asociate cu ceva negativ;
indicațiile date de personalul pentru evacuare au de regulă un efect pozitiv asupra utilizării ieșirilor de incendiu, ele fiind urmate întocmai.
5.1.3. Deplasarea prin fum a persoanelor care se evacuează
Deși există tendința îndepărtării oamenilor de fum și de efectele imediate ale acestuia, se estimează însă că peste 60 % dintre persoanele evacuate trec prin fum, pentru a se evacua.
Ocupanții aleg să treacă prin fum, în cazul în care știu că la o distanță (estimată de ei ca fiind mică), se află o ieșire pe care ei o cunosc foarte bine.
Prezența fumului influențează și viteza persoanelor aflate în postura evacuării. Astfel, viteza scade se înjumătățește în cazul în care deplasarea are loc prin fum iritant. Timpul de expunere însă, în toate analizele, nu a depășit 50 de secunde. Se cunosc cazuri în care timpul de deplasare prin fum a fost chiar și de câteva minute.
5.1.4. Pauzele făcute persoanelor pe căile de evacuare
O altă problemă importantă în cazul evacuării de persoane, o reprezintă pauzele. Acestea au loc din diferite motive:
din cauza oboselii (mai ales în cazul persoanelor cu handicap, în vârstă sau cu probleme de greutate)
existența ambuteiajelor;
lovirea de persoane care circulă în sens opus evacuării;
elemente de mediu cum ar fi fum, gaz toxic, căldură, resturi căzute.
S-a arătat că în medie, din cauza fumului, căldurii, prafului, viteza de evacuare aferentă condițiilor normale, se micșorează de până la 3 ori.
5.1.5. Efectele directe ale incendiului asupra comportamentului la evacuare
În mod uzual prezența incendiului induce senzația automată de fugă în direcția opusă.
Totuși, unii utilizatori pot rămâne să observe incendiul (sindromul incendiului prietenos) sau să îl combată.
Atunci când fumul și/sau căldura ajung la valorile critice inferioare suportbailității umane, se pot influența alegerea căilor de salvare, în sensul că persoanele vor evita să folosească spații periculoase, în scopul evacuării.
5.1.6. Panica și alte comportamente la evacuare
O definiție cât mai apropiată de cea reală nu se poate găsi poate decât în psihologia de specialiate, însă ea reprezintă „un sentiment puternic și brusc de teamă care nu permite gândirea sau acționarea rezonabilă”. Acest fapt impune celor atinși de panică acționarea incoerentă și aparent fără logică.
5.1.7. Considerente sociale și psihologice privind panica pentru elaborarea modelului fizico-matematic utilizat în analiză
Panica individuală derivă din componente specifice maselor cum ar fi strivirea și sufocarea în aglomerații. Aglomerația rezultă din mișcările necoordonate și spațiile inguste care depind de structura mulțimii.
În urma studiilor sociale și psihologice și a investigațiilor inginerești s-a ajuns la următoarele concluzii privind evacuarea utilizatorilor în situații de urgență.
oamenii încearcă să se miște mai repede decât în mod normal;
se împing și interacțiunile dintre aceștia devin fizice;
mișcarea devine necoordonată;
la ieșire se formează o înfundare și o dispunere arcuită;
aglomerația crește;
interacțiunile fizice dintre oameni cresc, datorită energiei cinetice și a încordării mușchilor, cauzând o presiune periculoasă de până la 4,45 N/m care poate îndoi barele de oțel sau să dărâme ziduri de cărămidă;
oamenii adoptă deseori un comportament de turmă, însemnând că se comportă ca și ceilalți oameni;
ieșirile alternative sunt deseori blocate pentru ieșirea de urgență.
Se pot observa mai multe tipuri de comportament :
comportamentul competitiv – indivizii sunt în competiție pentru evacuare ;
comportamentul de așteptare la coadă;
comportamentul „de turmă” (de exemplu, la o incintă cu două ieșiri, la evacuare aproape toți utilizatorii aleg o singură ieșire, a doua ieșire rămânând relativ liberă).
comportamentul altruist – oamenii ajută la nevoie pe cei care nu se pot evacua singuri;
comportamentul de urmare al unui lider (exemplu: familia ascultă de un membru al respectivei familii, diferiți indivizi chiar și necunoscuți pot deveni lideri în astfel de situații de evacuare; personalul tunelului rutier poate fi considerat lider, dacă se implică activ în evacuare).
Alte elemente caracteristice evacuării :
persoanele care se evacuează rămân fidele unei direcții stabilite inițial, chiar dacă spațiul este aglomerat cu persoane. așadar, persoanele care se evacuează aleg de obicei cea mai rapidă rută , care deseori nu coincide cu cea mai scurtă (care implică de obicei aglomerări și așteptare la coadă).
în deplasare, persoanele tind să aibă o viteză constantă dar adaptată la modul personal de deplasare, vârstă sex etc;
de obicei, trecerea prin diferite spații înguste devine necoordonată.
5.1.8. Importanța utilizării modelelor de evacuare
Modelele de evacuare realizate pe calculator au devenit alternativa cea mai bună pentru simularea comportamentelor umane în diverse situații de urgență.
Se descriu câteva modalități de aplicare ale modelelor de evacuare, considerând utilizatorul, datele și aplicațiile pe care le fac posibile.
Ingineria securității la incendiu foloseste ecuații, calcule și modele computerizate pentru a determina dacă sistemele de protecție împotriva incendiilor funcționează la standardele stabilite. Pentru acest obiectiv, inginerii apelează la cunoștințe de matematică și fizică însă cand vine vorba de comportamentul uman, științele sociale și comportamentale oferă o bază de date semnifictivă.
În ultimii ani s-a simțit necesitatea abordării factorilor comportamentului uman în ingineria securității la incendiu, contribuind la această sporire a atenției asupra comportamentului uman, organizații din Japonia, Australia, Anglia, Noua Zeelandă și Statele Unite.
Obiectivul comun al securității la incendiu în ceea ce privește viața ocupanților este acela de se asigura timpul de evacuare a spațiului viciat încă din faza de proiectare.
5.2 ELEMENTE DE CERCETARE EXPERIMENTALĂ APLICATE EVACUĂRII UNUI TUNEL RUTIER
Având în vedere că pentru o analiză concretă a evacuării unui tunel rutier este nevoie de o populație reală care să fie folosită în simulările teoretice, computerizate sau experimentale, a fost nevoie să se obțină date cu privire la persoanele care tranzitează, spre exemplu tunelul rutier Capra-Bâlea de pe Transfăgărășan. Astfel, în luna septembrie a anului 2011 a fost filmată timp de câte 20 de minute, două ieșiri din cele 3 ale unui tunel rutier real. S-au obținut aceste seturi de date, dintre care s-a folosit mai departe în analiză, datele de la prima ieșire, având în vedere complexitatea populației obținute. Din totalul autoturismelor numărate la ieșirea din tunel, s-a ajuns la o medie de 3 persoane/autoturism.
Dat fiind faptul că în simularea de evacuare se va importa același tunel utilizat în simularea de stingere a incendiilor, cel cu o lungime de 200 m care conține 30 autoturisme în tranzit, numărul de utilzatori supusi evacuării va fi de 90, dintre care 36 bărbați și 54 femei. La estimarea condiției fizice, fiecărei persoane i-a fost atribuită o notă de la 1 la 5, în funcție de calitățile fizice vizibile în înregistrarea video. Practic, în situația unei evacuări, viteza persoanei cu calități fizice notate cu „5” este maximă, iar a celei cu calități fizice notate cu „1” este minimă. S-a luat în calcul că la o condiție fizică foarte bună viteza de alergare să fie de aproximativ 20 km/h ( aproximativ 4,5 m/s). Au fost de asemenea identificate o serie de alte elemente care ar putea incomoda evacuarea, cum ar fi: plase, genți, sacoșe, rucsacuri, flori, geamantane, cutii, genți diplomat, genți pentru laptop, baston.
5.3 ELEMENTE INGINEREȘTI FOLOSITE PENTRU SIMULAREA COMPUTERIZATĂ A EVACUĂRII PERSOANELOR
5.3.1. Generalități ale hidraulicii fluxurilor de evacuare
Pentru estimarea duratei de evacuare se utilizează expresii rezultate din testele și observațiile aproximării cu un flux uman hidraulic.
Fluxul specific , este capacitatea de evacuare a persoanelor pe unitatea de timp și spațiu. Relația de determinare a fluxului specific, este
(5.2)
unde Fc este fluxul specific în persoane pe secundă și metri, D – densitatea persoanelor evacuate în persoane/m2 iar v – viteza de deplasare în metri pe secundă.
Fluxul specific maxim este de obicei corespunzător unei densități de 1,9 persoane/m2. Calculul fluxului Fc, constă în calculul ratei fluxului de persoane care trec de un punct fixat dincolo de ieșire:
(5.3)
unde Fc este fluxul calculat în persoane pe secundă, Fs – fluxul specific, în persoane pe secundă și metri iar Le – lățimea efectivă a căii de evacuare, în metri.
5.3.2 Elemente matematice privind modelarea și simularea evacuării persoanelor
În vederea exemplificării aspectelor de calcul matematic ce țin de modelare, se exemplifică aspectele menționate mai sus cu ajutorul programului de simulare a evacuării FDS + EVAC.
Programul FDS + EVAC este o combinație între un model de calcul al evacuării agenților (persoanelor) și un model CFD (Computational Fluid Dynamic – Calcul Computerizat al Dinamicii Fluidelor) al desfășurării incendiului, unde cele două părți, focul și evacuarea, interacționează. FDS + EVAC poate fi folosit și separat, doar pentru calculul evacuării, fără calculul incendiului.
FDS + EVAC modelează evacuarea agenților utilizând timpul și spațiul continuu, dar geometria clădirii este conformă cu rețeaua rectilinie definită.
FDS + EVAC tratează agenții ca pe o combinație de trei cercuri deplasându-se într-un plan bidimensional (fig. 5.3), care aproximează forma eliptică a corpului uman. De reținut că FDS+EVAC folosește proprietăți stocastice pentru caracteristicile agenților (persoanelor). Dimensiunile corpului și vitezele de deplasare sunt trasate implicit din distribuții uniforme. Algoritmul de bază al modelării evacuării se bazează pe ecuația de mișcare a fiecărei persoane. Forțele care acționează asupra oamenilor sunt: fizice (ca forțele de contact și gravitaționale) și psihologice acționate de ambient/mediu, sau alte persoane. Această abordare permite fiecărei persoane să aibă proprietăți și strategii de salvare personale. Modelul pe care se bazează algoritmul de mișcare este modelul forțelor sociale introduse de Helbing.
După cum s-a precizat mai sus, persoanele sunt implementate sub formă de cercuri care se mișcă într-o geometrie 2D. Aceasta este numai o aproximare eliptica a formei umane, după cum se poate vedea în figura 5.3 (persoana văzută de sus). Dimensiunea corpului (de la un umăr la celălalt) d, și viteza de mișcare al tipurilor populației umane sunt ilustrate în tabelul 5.1. Valorile implementate de program sunt alese aeatoriu pentru fiecare ființă umană pe o distribuție uniformă a cărei lățime și viteze sunt date (d- d, d+ d) [99].
Tabelul 5.1.
Proprietățile implicite și tipurile predefinite “adult”, “bărbat”, “femeie”, “copil”, “persoană în vârstă”
Figura 5.3. Forma corpului uman implementată în modelul de simulare (elipsa albastră) este aproximată ca fiind un cerc (cercul roșu) în programul FDS + EVAC.
În tabelul 5.1 sunt prezentate proprietățile implicite (default) și tipurile predefinite de “adult”, “persoană de sex masculin”, “ persoană de sex feminin”, “copil”, “bătrân”. Ultima linie este aferentă parametrilor umani impliciți, în cazul în care tipul uman nu este predefinit și specificat în datele de intrare (input).
5.4. EXIGENȚE MINIME ALE PROGRAMELOR DE SIMULARE ȘI PROGRAMUL ALES
5.4.1. Posibilități ce trebuie puse la dispoziție de program
Având în vedere cele anterior prezentate precum și cele prezentate în capitolele 2 și 3, se alege pentru simularea computerizată, programul Pathfinder, prezentat pe larg la paragraful 5.4.2. Principalele elemente care recomandă programul Pathfinder sunt următoarele:
programul este disponibil pentru orice tip de posibil beneficiar, deci inclusiv pentru cercetătorii independenți în securitate la incendiu;
este un model de mișcare, simulează mișcarea și nu comportamentul. Având în vedere partea de început a capitolului, elementele de comportament pot fi implementate separat pentru fiecare grup în parte;
evacuarea se poate face din orice tip de construcție, inclusiv tuneluri rutiere;
programul are o structură elaborată și rezultatele simulării se bazează pe principii și calcule solide;
programul poate lucra și la nivel individual (persoană), dar și la nivel global (grup de persoane);
programul acceptă importarea structurilor desenate de tip CAD;
un element important este reprezentat de posibilitatea vizualizării rezultatelor simulării, atât bidimensional cât și tridimensional;
pentru traseul de evacuare, se pot alege diferite itinerare pentru persoane, în funcție de disponibilitate;
ocupanții pot fi distribuiți uniform sau aleator;
programul a fost validat în exerciții practice.
Dintre programele de evacuare relevante pot fi amintite GridFlow, Aseri, Exitt și simulex [116].
Calitățile enumerate mai sus se întâlnesc doar la programul Pathfinder, prin urmare se recomandă folosirea acestuia pentru simularea evacuării. Analiza prin simulare a evacuării se discută pe larg în subcapitolele următoare.
5.4.2. Prezentarea programului Pathfinder
5.4.2.1. Scurtă descriere a programului
Pathfinder reprezintă un simulator 3D de evacuare a persoanelor, care evoluează prin folosirea tehnicilor de cercetare computerizată pentru a modela mișcarea indivizilor, fiind construit pe tehnologia folosită în industria graficii computerizate și a jocurilor pe calculator.
Programul dispune de mai multe moduri de simulare și posibilitatea de setare a proprietăților ocupanților oferă posibilitatea de a se explora cu ușurință diferite scenarii, permițând calcularea cât mai exactă a duratelor de evacuare. Simularea este bazată pe persoane – fiecare utilizator folosește un set de parametri individuali și ia decizii în mod independent pe parcursul simulării.
Programul include o interfață integrată a utilizatorului și de asemenea vizualizarea 3D a rezultatelor. Pathfinder permite evaluarea mai rapidă a modelelor de evacuare și permite realizarea de imagini grafice mult mai realiste decât alte simulatoare.
5.4.2.2. Utilizarea programului
Etapele de utilizare a programului sunt următoarele:
1. Desenarea structurii – clădirii ce urmează a fi simulată, în program, sau
importarea structurii din alte programe de tip autocad, cum ar Pyrosim
2. Stabilirea și crearea utilizatorilor ce urmează să fie evacuați (număr de persoane, locația fiecăreia, calități cum ar fi viteza de deplasare, distanța dintre umeri);
3. Stabilirea de comportamente pentru indivizii proiectați;
4. Rularea simulării.
Persoanelor li se pot atribui caracteristici specifice sau comune aferente unui grup anume. Fiecare persoană aparține unui profil în care îi este controlată viteza, reacția întârziată, dimensiunea și aspectul. Acestea permit fiecărei caracteristici să fie constantă sau generată la simulare, pe bază de distribuții în timp uniforme sau normale. Persoanelor li se poate specifica, de asemenea, un traseu anume de evacuare pentru a ajuta la simularea nivelurilor variate de familiaritate cu structura construcției din care are loc evaluarea.
5.4.2.3. Vizualizarea persoanelor în programul Pathfinder
Programul Pathfinder lucrează cu agenți cu inteligență artificială, astfel că fiecare ocupant are trăsături, scopuri și percepții individuale, ce permite grupurilor de ocupanți să se organizeze în tipare naturale de deplasare. Prin urmare deplasarea ocupanților se vede natural și realist, un exemplu elocvent fiind figura 5.4.
Pathfinder deplasează ocupanții cu ajutorul dimensiunii continue 3D. La fiecare pas în timp, agenții examinează împrejurimile și acționează conform parametrilor setați, însă în mod individual.
Figura 5.4 Opțiune de vizualizare a persoanelor în programul Pathfinder, pentru un tunel rutier cu autoturisme
Pathfinder permite expunerea de imagini și filme de înaltă rezoluție, ajutând însă specialiștii să vizualizeze rezultatele pe computerul personal.
5.4.2.4. Modelul de mișcare simulat de programul Pathfinder
Pathfinder lucrează cu o combinație de planificare a traiectoriei, direcției și management al ciocnirilor pentru a controla mișcarea ocupanților. Fiecare ocupant menține o traiectorie ce interconectează poziția lor curentă, cu un punct țintă undeva pe paleta de navigare. Această traiectorie menține ruta aleasă de ocupant în timpul simulării. În cazul ueni ciocniri cu alți ocupanți, poate cauza ca aceștia să devieze de la ruta dorită, dar mișcarea ocupantului se va conforma cu traiectoria aleasă, reconfigurându-se.
Algoritmul de generare al traiectoriilor este cheia modelării comportamentului în programul Pathfinder. Practic, ocupanții se pot doar deplasa spre cea mai apropiată ieșire sau cea specificată de utilizator. Chiar și așa, structura se poate acomoda la generarea unor traiectorii spre alte puncte de interes (ieșiri, incinte etc) în așa fel încât să poată fi abordată o varietate de opțiuni de comportament.
5.4.2.5. Considerente asupra vitezei maxime și accelerației
În timpul deplasării, programul calculează pentru utilizatori viteza maximă și accelerația cu care se pot deplasa. Viteza maximă și accelerația sunt utilizate apoi în calculele direcționale în vederea deciderii unei viteze de deplasare finală.
Accelerația maximă pentru o suprafață este întotdeauna specificată în funcție de viteza de deplasare pe terenul respectiv. Astfel, se poate ajunge la viteza maximă în 0,5 secunde, de asemenea se pot opri din mers de la viteza maximă în 0,5 secunde.
5.4.2.6. Aspecte privind direcția agenților în programul Pathfinder
Sistemul de direcție mișcă ocupanții de-a lungul itinerariilor nerectilinii. La fiecare pas, ocupantul se întoarce spre punctul cu cel mai mic cost calculat. Pathfinder utilizează un set de 5 vectori cu punctul de aplicație la ocupant pentru a calcula aceste puncte. Acești vectori sunt prezentați în figura 5.5.
Figura 5.5. Vectori cu direcții diferite și inverse
Programul utilizează comportamentul de direcție cu următoarele componente:
seek (caută);
avoid walls (ocolește pereții);
avoid occupants (evită ocupanții).
Fiecare comportament are o valoare între 0 și 1 pentru fiecare punct reprezentat.
Comportamentul căutare (seek) se rotește în jurul ocupantului pentru a se deplasa de-a lungul curbei de căutare. Dată fiind locația ocupantului pt0, unul din punctele de destinație pt1, și curba curentă de căutare sc, comportamentul căutare calculează 2 vectori, vectorul ce pleacă de la pt0 la pt1 (ptv) și tangenta vectorului de-a lungul sc (sct).
Dimensiunea unghiului între acești doi vectori este proporțională cu costul comportamentului căutare pentru pt1. Costul se calculează cu relația
unde Sc este costul comportamentul căutare iar este unghiul dintre ptv și sct .
Comportamentul avoid walls detectează ziduri și direcționează ocupanții pentru a evita ciocnirea cu pereții.
Costul dat de acest comportament se bazează pe distanța pe care ocupantul o poate parcurge în direcția punctului priectat în timp ce rămâne o distanță de siguranță între ocupant și ziduri.
Comportamentul avoid occupants menține o zona de siguranță între ocupant și alți ocupanți din jurul acestuia. Acest comportament obține o listă de ocupanți într-un “trunchi” a cărui dimensiune este controlată de viteza ocupantului. Apoi, acest comportament generează o sferă mobilă în fața ocupantului în direcția punctului proiectat. Această sferă este testată cu fiecare sferă mobilă a ocupanților din jur. Dacă sferele nu se ciocnesc, costul este 0; altfel, costul este determinat de distanța pe care ocupantul o poate parcurge până la coliziune. Cu cât e mai aproape punctul de coliziune, cu atât costul e mai mare.
5.4.2.7. Evitarea ciocnirii în programul Pathfinder
Ciocnirile nu pot fi evitate întotdeauna, în ciuda suprafețelor solide existente. Acest lucru este des întâlnit în situații când ocupanții se află în mulțime și nu pot evita lovirea de pèreții încăperii sau de alți ocupanti.
Dacă opțiunea de evitare a ciocnirii este activată, ocupantul se oprește înainte de cea mai timpurie ciocnire chiar și cu un perete sau un alt ocupant. Dacă opțiunea este dezactivată ocupantul se oprește doar înaintea ciocnirii iminente cu un perete.
5.5. SIMULAREA EVACUĂRII TUNELULUI RUTIER CONSIDERAT
5.5.1 Grupurile de persoane implementate în simulare
După cum s-a precizat mai sus, în cele ce urmează se prezintă simularea evacuării tunelului rutier considerat.
În simularea de față s-au creat 2 grupuri cu diferite comportamente specifice astfel încât să se simuleze cu acuratețe o activitate de evacuare reală a tunelului rutier. Primul grup este format din cei 90 de utilizatori în sine, iar al doilea din 7 pompieri chemați la fața locului în vederea ducerii misiunii de salvare, conform figurii 5.6.
Figura 5.6. Imagine de lângă autoturisme, la momentul când utilizatorii au conștientizat iminența incendiului
Rezultatele simulării conțin date cu privire la:
timpul în secunde până la care persoanele se evacuează din întreaga construcție;
timpul în secunde în care se evacuează persoanele din fiecare areal;
informații cu privire la calea urmată de fiecare persoană;
informații vizuale care arată locurile cu obstacole, cum ar fi așteptări la coadă, fenomene specifice de înghesuială etc.
Se prezintă grafic persoane în imagine 3D care participă la activitatea de evacuare. Fișierul de date este complex și maleabil, prin urmare structura construcției, cupersoane 3D în mișcare, poate fi apropiată sau depărtată. De asemenea, există posibilitatea vizualizării drumului parcurs de o persoană prin marcarea cu o anumită culoare a traseului.
5.5.2 Rezultatelor simulării și interpretarea acestora
Simularea a prevăzut un timp total de rulare de 200 secunde (timpul total de simulare). Din acest timp de 200 secunde trebuie scăzută valoarea de 20 de secunde, reprezentând timpul necesar utilizatorilor realizării pericolului și debutului pașilor de evacuare. Acest interval este de obicei utilizat și pentru reposedarea obiectelor de importanță majoră (acte și bani). Din diferență rezultă că personalul (90 de utilizatori și 7 pompieri), în cadrul scenariului, se evacuează în 23 secunde, rezultând un timp total de 43 de secunde consumat strict pentru evacuarea propriu-zisă.
În figurile 5.7 și 5.8 se prezintă instantanee din timpul evacuarii, în cadrul scenariului ales, valabil secundei 25, respectiv 35 ale simulării.
Figura 5.7. Imagine captată din filmul dinamic al evacuării la secunda 25. Se realizează evacuarea a 26 de utilizatori din totalul de 97, cu linii albastre fiind marcate traiectoriile utilizatorilor
Figura 5.8. Imagine captată din filmul dinamic al evacuării la secunda 35. Se realizează evacuarea a 58 de utilizatori din totalul de 97, cu linii albastre fiind marcate traiectoriile utilizatorilor
Figura 5.9 Evoluția evacuării utilizatorilor din tunelul rutier în funcție de timp
Figura 5.10 Evoluția evacuării utilizatorilor din tunelul rutier în funcție de timp cu detalierea personalului evacuat, respectiv neevaccuat din tunel în funcție de timp
În figurile 5.9 și 5.10 este redată grafic evoluția evacuării pasagerilor în funcție de timpul scurs de la începerea simulării. S-a setat în program ca utilizatorii sa evite ciocnirile, inclusiv cu obiectele din jur, fapt ce a făcut posibilă evacuarea fără ca aceștia să inte în contact cu autoturismele, lucru care ar fi îngreunat sesizabil procesul de evacuare.
5.6. CONCLUZII
În cadrul capitolului, s-au luat în calcul informațiile deja cunoscute referitoare la tunelurile rutiere, în vederea obținerii datelor concludente stabilirii unei populații care să facă obiectul scenariului de evacuare stabilit, pentru tunelul rutier considerat. S-au identificat multiple comportamente adoptate de populație în astfel de scenarii și s-a explicat modul în care acestea sunt interpretate de către programele de simulare. De asemenea, pentru a se verifica informațiile avute dar și pentru a se avea o legătură solidă cu realitatea, în cadrul cercetării autorul a filmat traficul dintr-un tunel rutier, analizând persoanele care ies din aceasta (din autoturisme). În urma analizei, a reieșit o populație corespunătoare și reală, care ulterior a fost împărțită pe grupuri, adaptată dimensiunilor tunelului rutier simulat și căreia i s-au impus anumite comportamente .
S-a stabilit că programul Pathfinder este optim a fi aplicat pentru evacuarea tunelului rutier considerat.
Prin urmare, scenariul a fost implementat în programul Pathfinder, obținându-se reultate foarte apropiate de o situație reală. Având în vedere aglomerația mare de persoane de pe căile de evacuare (peste 90 de persoane aflate în același timp în tunel).
S-a observat că toți călătorii au fost evacuați după numai 43 de secunde, cu mult înainte de trecerea celor 200 de secunde ale simulării.
Acest lucru face posibilă evacuarea înaintea apariției factorilor nocivi, aproape de limitele suportabilității umane, prezentați în cadrul capitolului 2, prin urmare viața acestora nu ar fi pusă în pericol pentru respectivul scenariu.
Asemeni capitolului anterior, există o parte consistentă de simulare computerizată constând în aportul original al autorului.
CAPITOLUL 6
CONCLUZII. CONTRIBUȚII ORIGINALE. DIRECȚII ULTERIOARE DE CERCETARE
6.1. CONCLUZII GENERALE ȘI STRUCTURA LUCRĂRII (C1)
Concluziile generale ale lucrării și contribuțiile rezultate din această lucrare pot fi sintetizate pe baza figurii 6.1, în care este prezentată filiera logică de alcătuire a lucrării.
Figura 6.1. Schema logică a lucrării
Așa cum se poate observa în figura, filiera elaborării tezei se poate rezuma după cum urmează;
enumerarea situațiilor de urgență aferente tunelurilor rutiere, stabilirea incendiilor ca fiind cea mai severă și reliefarea principalelor măsuri de precauție adoptate de autoritațile în domeniu la nivel mondial, evidențierea problemelor întâlnite;
studiul fenomenologiei incendiului, evidențierea riscurilor derivate ale acestuia, analizarea evenimentelor însemnate și a prinicpalelor lecții învățate din ele și reliefarea subsistemelor ingineriei securității la incendiu care pot fi aplicate unui tunel rutier;
efectuarea experimentelor practice de măsurare a vitezei curenților de aer și experimente de incendiu pe un tunel redus la scară pentru implemenarea scenariilor de incendiu și evacuare;
efectuarea de simulări computerizate de incendiu și evacuare pe un tunel la scară naturală;
enunțarea concluziilor privind optimizarea prevenirii și managementului situațiilor de urgență din tunelurile rutiere.
Lucrarea are o evoluție deductivă, de la general la particular și de la simplu la complex. S-a pornit de la analiza tuturor situațiilor de urgență, se decide asupra analizării incendiului care întrunește condiția celui mai defavorabil scenariu din toate punctele de vedere. S-a pornit de la inițierea unui incendiu în dreptul capotei unui autoturism și s-au analizat parametrii rezultați. Locația incendiului, care coincide cu jumătatea tunelului rutier analizat se confirmă ulterior prin uniformitatea cu care se realizează evacuarea, în ambele direcții, în cadrul scenariului de evacuare propus spre analiză.
6.2. CONTRIBUȚII ORIGINALE (C2)
Ținând cont de ordinea apariției acestora în lucrare, se pot evidenția următoarele contribuții originale ale autorului pe parcurul tezei:
S-a analizat stadiul actual al preocupărilor în domeniu prin studiul literaturii de specialitate, pe plan internațional;
S-au aplicat, pentru prima oară în studiul pe plan național, elemente ale ingineriei securității la incendiu pentru un tunel rutier, opțiune fără de care atât stingerea incendiilor cât și evacuarea utilizatorilor ar fi fost, în continuare, tratate separat și în acest caz;
În urma analizării celor anterior menționate s-au stabilit și confirmat (similar altor tipuri de construcții) criterii asociate protejării vieții pentru tunelurile rutiere, criterii care au fost luate ca puncte de reper în experimentele practice și simulările computerizate ce au urmat;
S-a creat un stand experimental prin asamblarea unei machete de tunel scara 1 10 din plăci de silicat de calciu în care s-au incendiat combustibilii lichizi și s-a utilizat aparatura complexă de măsură (termocuple Cr – Al, cameră de termoscanare Flir, balanță electronică Kern, înregistrator de date Brainchild, anemometru, aparate foto și camere video, laptop Dell);
Pe acest stand s-au efectuat numeroase experimente practice complexe, după cum urmează:
S-au efectuat 3 teste de determinare a indicatorilor de comportament specifici la incendiu pentru cei 3 combustibili lichizi utilizați (etanol, benzină și motorină), în tăvi necalculate dimensional și energetic;
S-a continuat cu efectuarea a 7 teste, cu aceiași combustibili, în condiții de ventilație naturală și ventilație forțată, de asemeni calculate utilizând similitudinea Froude și s-au incendiat 2 machete auto la scara 1/10 în vederea determinării parametrilor fizici rezultați, care au servit ca reper comparativ datelor obținute din teste similare precedente;
S-a incheiat cu determinarea practica a HRR cu ajutorul balanței electronice pentru toți cei 3 combustibili lichizi utilizați. Toate simulările anterior precizate au presupus utilizarea aparaturii de înaltă precizie și corelarea corespunzătoare a acesteia în vederea obținerii de certe informații;
S-a măsurat viteza curenților de aer, a parametrilor atmosferici (temperatură, umiditate, presiune) și a traficului rutier în tunelul Capra-Bâlea de pe Transfăgărășan;
S-au interpretat în mod parțial erorile survenite comparând testele practice ale determinării HRR (heat release rate) cu cele inițial calculate prin reducerea la scară;
Condițiile de testare au fost similare pentru toate experimentele efectuate, astfel încât concluziile au putut fi comparate între ele din punct de vedere al valorilor rezultate, cu ajutorul aparaturii de citire și interpretare a datelor;
S-a desenat în mod tridimensional structura unui tunel rutier real în programul Pyrosim și în modelul de calcul, ceea ce a făcut posibilă obținerea scenariului de incendiu din cae au rezultat valori utile ale temperaturii, dispersiei stratului de fum și conținut de oxigen în aer, utilizând datele cunoscute din informațiile reale;
Simularea de incendiu a presupus și utilizarea unei măsuri de protectie active la incendiu formată dintr-o perdea de ceață de apă care să reducă temperatura interioară și să păstreze un procent rezonalbil de oxigen în aer, prin îndepărtarea stratului de fum;
S-a recurs și la simularea evacuării utilizatorilor unui tunel rutier, prin utilizarea programului Pathfinder ca fiind programul optim care poate oferi rezultatele scontate
Pentru prima oara în țara noastră s-a simulat posibilitatea evacuării persoanelor din cadrul unui tunel rutier, cu ajutorul programului Pathfinder, obținându-se certe informații cu privire la timpul necesar de evacuare în totalitate a tunelului studiat în condițiile date;
Scenariul de evacuare utilizat în cadrul programului Pathfinder a fost ales după calcularea mediei de 3 persoane autoturism observată cu ocazia efectuării experimentelor practice la tunelul Capra-Bâlea de pe Transfăgărășan.
Dat fiind faptul că la nivel mondial ingineria securității la incendiu are la bază analize experimentale practice corelate cu programele de simulare aferente, linia este urmată și de prezenta lucrare, lucru care poate fi considerat un debut național pentru studiul ales.
6.3. DIRECȚII ULTERIOARE DE CERCETARE (C3)
Tunelurile rutiere sunt obiective strategice, cu diverse soluții constructive, medii de amplasare (montane și marine), tranzitate de un număr variabil de autovehicule și cu o expunere inegală la situații de urgență. Cele studiate în prezenta lucrare pot fi aplicate tunelurilor rutiere în mod general, atât din punctul de vedere al stingerii incendiilor cât și al evacuării utilizatorilor.
O altă direcție ulterioară de cercetare poate fi constituită din efectuarea experimentelor practice având în centrul atenției amplasarea de spinklere, ale căror parametrii principali de studiu să fie, în primă fază timpii de declanșare. în acest mod s-ar putea realiza armonizarea măsurilor active de protecție la incendiu cu cele impuse de legislația mondială în vigoare.
O altă direcție ulterioară de cercetare poate consta în folosirea sistemelor speciale de ventilație de tip jet-fan, care, de asemeni, pot fi adaptate printr-o simulare computerizată anterioară montării și testării acestora
Bibliografie
Notă: Elementele bibliografice sunt enumerate in ordinea alfabetică a numelor de familie a autorilor
*** ISO TS 16733 2006 Selection of design fire scenarios and design fires
*** ISO/NP 29761 2011 Fire Safety Engineering – Selection of design client behavioural scenarios
*** ISO/TR 13387-3:1999 Fire safety engineering – Part 3: Assessment and verification of mathematical fire models.
*** ISO/TR 13387-8:1999 Fire safety engineering – Part 8: Life safety –Occupant behaviour, location and conditio
*** ISO/TR13372-4 – Inițierea și dezvoltarea incendiilor și efluenților incendiului
*** ISO/TR13372-8 Siguranța vieții: comportarea oamenilor, situație și stare, ISSN (print): 1454-2358 / (online): 2286-3699
*** Legea 10 / 1995 privind calitatea in constructii, 1994/ 60 pag
*** Legea 307 privind apararea impotriva incendiilor, 2006/ 60 pag
*** Legea nr. 307/2006 privind apărarea împotriva incendiilor
*** Manual privind exemplificări, detalieri și soluții de aplicare a prevederilor Normativului P118-99, 2000/ 60 pag
***MLPAT C 300/1994 – Normativ de prevenire și stingere a incendiilor pe durata executării lucrărilor de construcții și instalații aferente acestora
***New York Fire Department, 1971 Firefighting and rescue procedures, raport, headquarters, department of the army, TM 5-315/ 260 pag
***NFPA 101 and 5000
***NFPA, 1991a –Fire protection handbook, 17th ed. National Fire Protection Association, Quincy, MA
***Normativ de securitate la incendiu a parcajelor subterane pentru autoturisme, 2008/ 60 pag
***Normativ de siguranta la foc a constructiilor Indicativ P 118-99, 1999/ 150 pag 115
***Normativ de siguranță la foc a construcțiilor, indicativ P–118/1999, Editura IPCT, București, 1999.
***Normativ pentru proiectarea și executarea instalațiilor de semnalizare a incendiilor și a sistemelor de alarmare împotriva efracției din clădiri, indicative I18/2-2002
***Normativul de securitate la incendiu a parcajelor subterane, indicativ NP 127-2009
***Normativul de securitate la incendiu a parcajelor subterane, indicativ NP 127-2009
***Normativul pentru proiectarea, execuția și exploatarea parcajelor etajate pentru autoturisme, indicativ NP 24 – 97
***Normativul pentru proiectarea, execuția și exploatarea parcajelor etajate pentru autoturisme, indicativ NP 24 – 97
***O.M.I.R.A. nr. 210 din 21.05.2007 pentru aprobarea Metodologiei privind identificarea, evaluarea și controlul riscurilor de incendiu
***ORDIN MAI nr. 166 din 27 iulie 2010 pentru aprobarea Dispozițiilor generale privind apărarea împotriva incendiilor la construcții și instalațiile aferente
***Ordinul MAI 163 / 2004 privind aprobarea Normelor generala de protecție împotriva incendiilor
***Protection incendie dans les bâtiments – Conception des systèmes d’évacuation des fumes et de la chaleur (EFC) des parkings intérieurs – NBN S 21-208-2, Belgia, Protection, 2007
***Regle APSAD R1 – Regle D’installation. Extintion automatique a eau type sprinkleur, 2009 Edition
***Regulamentul (UE) nr. 305/2011 al Parlamentului european și al Consiliului din 9 martie 2011 de stabilire a unor condiții armonizate pentru comercializarea produselor pentru construcții și de abrogare a Directivei 89/106/CEE a Consiliului;
***Regulamentul privind clasificarea și încadrarea produselor pentru construcții pe baza performanțelor de comportare la foc, aprobat cu Ordinul ministrului transporturilor, construcțiilor și turismului și al ministrului de stat și al ministrului administrației și internelor, nr.1.822/394/2004
***SR 8421-1/1999, Protecția împotriva incendiilor. Vocabular, partea 1: Termeni generali și fenomene ale focului
***SR 8421-1/A1/2000, Protecție împotriva incendiilor. Vocabular, partea 1: Termeni generali și fenomene ale incendiului.
***SR EN ISO 13943/2002, Siguranța la foc, Vocabular
***Traité pratique de sécurité incendie, 10e edition. CNPP (Centre National de Prévention et de Protection), Saint-Marcel, France, 2008
***User’s Guide for Smokeview Version 5, ghid, National Institute of Standard and Tehnology, 2042/ 142 pag
Alan B., Carvel R., Jowitt P., Modelling fire size and spread in tunnels, Edinburg EH 14 14 AS, Scotland, pag 1509-1608
Alvear D., Abreu O., Cuesta A., Alonso V., Decision support system for emenrgency management:Road tunnels, in Tunnelling and Underground Space Technology, 26.06.2012, pag 4-5
Anghel I., Contribuții privind modelarea și simularea incendiilor prin metode numerice. Teză de doctorat, Universitatea „Petrol – Gaze” din Ploiești, 2009
Anghel I., Flucuș I., Estimări cantitative ale riscului de incendiu, Sesiunea de comunicări științifice a Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov 11-12 mai 2007, pag 11-18.
Anghel I., Pesic D., Codescu S., Popescu D., Panaitescu V., Lalu O., 3 D Fire dynamic scenario for training systems based on immersive virtual reality for firefighters – Innovative Manufacturing Engineering Coference ImanE 2015, Technical University of Moldova, Chisinău, ‘’Innovation, Creativity, Learning and Education in Engineering’’ section, 21-22 mai 2015, 6 pag
Anghel I., Popa C., Analiză comparativă prin simulare computerizată a stingerii incendiilor la parcaje auto subterane protejate cu ceată de apă și sprinklere, 2011, pag 3-8
Anghel I., Popa C., Panaitescu V., Effects of fire on air, The 3th International Conference on Energy and Environment CIEM – 2007, Bucharest, 22-23 November
Anghel I., Zoicaș C., Popa C., Netcu C., Utilizarea modelării dinamice 3D pentru planificarea acțiunilor de răspuns la evenimente CBRN în construcții publice subterane, lucrare susținută la a III – a ediție a Conferinței Naționale de Medicină de Urgență și Salvări în Situații Speciale „Search and Rescue SARTISS 2011” 9-11 Noiembrie , publicată în Jurnalul de Medicină de Urgență și Salvări în Situații Speciale, supliment nr.1/ 2011 ISSN 2066-0278, 2011, pag 15-17,
Arthur E. Cote, PE, Percy B., Principles of Fire Protection, National Fire Protection Association, USA, 1988, pag 44-47
Association Internaționale Permanente des Congres de la Route (AIPCR) „Tunnels routiers"
Ayatilleke J., C.L.V., The Influence of Prandtl Number and Surface Roughness on the Resistance of Laminar Sub–layer to Momentum and Heat Transfer, Progress in Heat and Mass Transfer, Vol. 1, pag 193–329, Pergamon Press (1969)
Balulescu P., Tehnica si tactica stingerii incendiilor, Partea I, Editura Tehnica, 1981
Bălănescu L., Simularea numerică a evoluției temperaturii rezultate în urma unui incendiu într–un tunel rutier, Lucrare de dizertație, Academia de Poliție “Al. I. Cuza”, Facultatea de Pompieri, București, 2011
Bălulescu P., Calinescu V., Iorgulescu C. și Macris V., Noțiuni de fizică și chimie pentru pompieri, Comandamentul Pompierilor București, 1971, pag 24-26
Bălulescu P., Crăciun I., Agenda pompierului, Editura Tehnică, 1993, pag 27-30
Bălulescu P., Stingerea incendiilor, Editura Tehnică, 1981, pag 21-29
Beard A., David C., Assessment of the Safety of Tunnels Study, 10.2007, pag 31-32
Beard A., Fire safety in tunnels, in Fire Safety Journal, 06.2008, pag 2-3
Beard A., Tunnel Safety, risk assessment and decision-making, Tunneling and Underground Space Tehnology, 25/2010 91-94, Elsevier Ltd, pag 2-3
Bilanțul anual al Inspectoratului General al Corpului Pompierilor Militari (I.G.C.P.M.) și analiza activității Inspectoratului General pentru Situații de Urgență (I.G.S.U.), pentru anii 1995 – 2006
Burmeister L.C., Convective Heat Transfer, John Wiley and Sons (1983)
Calota S., Elemente de teorie modernă a arderii și propagării incendiilor. Caiete selective, 2001
Carvel R., Beard A., A new model to estimate size and spread for fires in tunnels with longitudinal ventilation, Edinburg EH 14 14 AS, Scotland, pag 69-77
Carvel R., Beard A., Fire zise and fire spread in tunnels with Longitudinal Ventilation Systems, Journal of Fire Sciences, Volume 23 (2005), pag 485-518
Chen J., Lang Y., Influence of Ventilation Status on Combustion Characteristics of Coach Fire, Procedia Engineering 52 (2013) Sciverse Science Direct, Elsevier, pag 42-47
Cheong M.K, Design Fires for Vehicles in Road Tunnels, Fire Safety Design Methods, Auckland, New Zeeland, 2008, pag 3-4
Codescu S., Aspecte privind prevenirea situațiilor de urgență în tunelurile rutiere – Sesiunea a XV-a de comunicări științifice cu participare internațională a Facultății de Pompieri „SIGPROT – 2012-2013”, 17 mai 2013, ISBN 978-606-591-972-3, București, pag 117-122
Codescu S., Chisacof A., Anghel I., Panaitescu V., Environmental consequences and risk factors after a fire in a road tunnel – Septième édition du COlloque Francophone en Énergie, Environnement, Économie et Thermodynamique COFRET’14, Thème 6: Environnement et Développement Durable, Recyclage, Nouvelles ressources énergétiques. Résumés p. 107. 23 – 25 avril 2014, Cnam, Paris (France), pag 37-43.
Codescu S., Considerente asupra stadiului actual al implementării măsurilor de securitate ale tunelurilor rutiere din România – A XIII-a Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”, Sebeș, județul Alba, 7-8 iunie 2013, Secțiunea ‘’Inginerie generală’’, Editura AGIR, Vol. 23/2013, ISSN 2067-7138, pag 180-183.
Codescu S., Gheorghiu S., Popa C., Pastramă T., Simulare computerizată a evacuării unui tunel rutier – Sesiunea a XVI-a de comunicări științifice cu participare internațională a Facultății de Pompieri „SIGPROT – 2014”, 16 mai 2014, București, ISBN 978-606-591-972-3, pag 711-716
Codescu S., Panaitescu V., Cucu A., Gheorghiu S., Simulare computerizată a unui incendiu la un autoturism într-un spațiu semideschis – A XIIV-a Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”, Sebeș, județul Alba, 6-7 iunie 2014, Secțiunea ‘’Inginerie generală’’, ISSN 2067-7138, Vol. 26/2014, pag 319-324
Codescu S., Panaitescu V., Cucu A., Gheorghiu S., Evacuarea unui tunel rutier în cazul unei situații de urgență. Simulare computerizată 3 D – a doua Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Ion.D.Lăzărescu – fondatorul școlii românești de teoria așchierii’’, Cugir, județul Alba, Secțiunea ‘’Management’’, 10 septembrie 2014, 6 pag
Codescu S., Panaitescu V., Popescu D., Chisacof A., Anghel I., Serban M., Study and improvment of road tunnels fire behaviour using Pyrosim – Innovative Manufacturing Engineering Coference ImanE 2014, Technical University of Moldova, Chisinău, ‘’Innovation, Creativity, Learning and Education in Engineering’’ section, 29-30 mai 2014, pag 790-794
Codescu S., Panaitescu V.N., Anghel I., Popa C., Serban M., Pastramă T., Analysis of connection between tunnels complexity and fire safety management – Al doilea volum al Conferinței AIIRM – Asociația Inginerilor de Instalații din Republica Moldova, Chișinău, 10-11 aprilie 2014, ISBN 978-9975-71-505-8, pag 96-103
Codescu S., Panaitescu V.N., Considerente asupra prevenirii și managementului situațiilor de urgență generate de incendii la tunelurile rutiere – prima Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Ion.D.Lăzărescu – fondatorul școlii românești de teoria așchierii’’, Cugir, județul Alba, 20 septembrie 2013, Secțiunea ‘’Management’’ ISBN 978-973-126-528-5, pag 504-509
Codescu S., Panaitescu V.N., Considerente privind nivelul acceptabil de risc la incendiu al tunelurilor – Primul volum al Conferinței AIIRM – Asociația Inginerilor de Instalații din Republica Moldova, Chișinău, 09 mai 2013, ISBN 978-9975-71-386-3, pag 90-93
Codescu S., Popescu D., Panaitescu V., Computational simulation of road tunnel fire protection, by using sprinklers – A VIII-a Conferință a Hidroenergeticienilor din România – ‘’Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești’’, Universitatea Politehnica București, 22 mai 2014, pag 49-56, SCIENTIFIC BULLETIN Series D: Mechanical Engineering
Codescu S., Stadiul actual al masurilor de securitate la incendiu ale tunelurilor rutiere din Romania, in Volumul 23 al Conferintei a XIII-a de la Sebes, Editura Agir, 08.06.2013, pag 3-4
Cozma M., Considerații privind influența ventilației în dezvoltarea incendiului, Buletinul Pompierilor, 141-150, 2008 / 10 pag
Crăciun I., Calotă S., Lencu V.- Stabilirea și prevenirea cauzelor de incendii, Editura Tehnică, București, 1999, pag 18-20
Daycock J.H. and P.J., Rew Thermal radiation criteria for vulnerable populations, Contract research report 285/2000 – The Health and Safety Commission, Great Britain, 2000
Deng J., Ma l., Wang Z., Wang W., Simulation Study on Critical Velocity of Longitudinal Ventilation Tunnel Fire, Procedia Engineering, 52 (2013), Science Direct, Elsevier, pag 67-71
Development of a database of full-scale calorimeter tests of motor vehicle burns, Report, 2008, pag 23-99
Dozias A., Cluzel D., Ventilarea pasajelor subterane, PROMOCLIM, nr. 5, 1999
EU tunnel fire safety action – Tunnels & Tunnelling International APRIL 2003
Fires in tunnels thematic network, Design Fire Scenarios, Technical Report-Part 1, 2005, pag 27-82
Flucuș I., Anghel I. și Popa C., Human incapacitation in fires, a XI-a sesiune de comunicări științifice a Academiei Forțelor Terestre „Nicolae Bălcescu” , Sibiu 23-25 noiembrie 2006, pag 232-239
Fridolf K., Nilsson D., Frantzich H. – Fire evacuation in underground transportation systems: A review of accidents and empirical research, in Fire Technology, 2011, pag 4-5
Golgojan I.P., Contribuții la creșterea siguranței la incendiu a clădirilor cu aglomerări de persoane – Teză de doctorat, Universitatea Tehnică de Construcții București, 2008
Haukur I., Seco F., Numerical simulation of a model scale tunnel fire test, SP Swedish National Testing and Research Institute, SP Report 2005:47, pag 30-35
http://eur-lex.europa.eu
Huggett c., Estimation of the rate of Heat release by Means of oxygen Consumption Measurment- Fire and Materials, 4:61-65, 1980
Ingason H., Large fires in tunnels, in Fire Technology, 2006, pag 10-18
Innovative Research, Reference Manual for COMPACT–3D, Innovative Research, Inc., Minneapolis (1998)
Jia F., Wang Z., Galea R., Modelling factors that influence CFD Fire Simulations of Large Tunnel Fires, Proceedings of the 12th International Fire Science & Engineering, Interflam 2010, ISBN 978 0 9541216-6-2, 2010, pag 1091-1102
Journal of Engineering Studies and Research, Volume 18 (2012), No. 2, ISSN 2068-7559, pp.94 -101, lucrare indexată BDI (Baze de Date Internaționale) ProQuest CSA (SUA), VINITI (RUSIA), EBSCO, Index Copernicus, Directory of Open Access Journals
Kayh S., Yozgathill A., Eralp O., Gokalp I., Effect of geometrical parameters of the burning object and ventilation velocity on the mass loss rate in tunnel fires, MCS 7, Sardinia Italy, September 11-15, 2011, pag 5-11
Kholicky M., Probabilistic risk optimization, in Structural Safety, 2009, pag 2-4
Ko J., Yoon C., Yoon S., Kim J. – Determination of the aplicable exhaust airflow rate through a ventilation shaft in the case of a road tunnel fires, in Safety Science, 2010, pag 2-4
Korhonen T., Hostikka S., Fire Dynamics Simulator with Evacuation: FDS+Evac Technical Reference and User’s Guide (FDS 5.5.0, Evac 2.2.1), VTT Finland May 5, 2010
Kuligowski E. D., Gwynne S. M., The Need for Behavioral Theory in Evacuation
Lalu O., Brănișteanu B., Codescu S., Popescu D., Panaitescu V., Anghel I., Popa C., Enache F., Implementarea corectă a HRR de la incendii de autoturisme în vederea simulării computerizate – A XV-a Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”, Sebeș, județul Alba, 6-7 iunie 2015, ISSN 2067-7138, Secțiunea ‘’Inginerie generală’’, 8 pag
Larsson K., Fires in tunnels and their effect on rock, Research Report (review), Lulea University of Technology, ISSN 1402-1528, 2008, pag 39-68
Launder B.E. and Spalding D.B., The Numerical Computation of Turbulent Flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3, (1974), pag 269–289
Li Y., Haukur I., Fire development in different scales of train carriages, Fire Technology, SP Technical Research Institute of Sweden, Box 857, SE-501 Boras, Sweden, pag 10-14
Li Y., Haukur I., Model scale tunnel fire tests – Automatic Sprinkler, Brandforsk project 501-509, Fire technology SP Report 2011:31, ISBN 978-91-8662206206, pag 20-84
Li Y., Haukur I., Scalling of wood pallets fires, SP Swedish National testing and Research Institute, SP Report 2014:57, pag 16-21
Li Y., Lindstrom J., Correlations between different scales of metro carriage fire tests, Fire technology, SP Report 2013:13, ISBN 978-91-87017-97-1, pag 30-46
Li Y., Lindstrom J., Model-scale metro for car fire tests, Fire technology, SP Report 2011:22, ISBN 978-91-8662-65-7, pag 80-115
Linjie L., Zao G., Jie J., Han J., Sun J., Research on the phenomenon of plug-holing under mechanical smoke exhaust in tunnel fire, Procedia Engineering 63 (2013), Science Direct, Elsevier, pag 1112-1120
Lonnemark A., Haukur I., Recent Achievements Regarding Heat Release and Temperatures during Fires in Tunnels, SP Swedish National Testing and Research Institute, Sweden, pag 1-8
Lonnermark A., On the characteristics of fires in tunnels, doctoral thesis, Lund 2005
Maegerle R. – Proceedings, in Conference on Automatic Fire Detection, National Institute of Standards Technology, Maryland U.S.A, 2001, pag 3-5
Maele K. and Merci B., Fire safety case study of a railway tunnel: Smoke evacuation, Heat and combustion Mechanics, BIBLID: 0354-9836, 11 (2007), 2, pag 207-222
Majdzadeh R., Khalagi K., Naraghi K., Motevalian A., Eshraghian M. Determinants of traffic injuries in drivers and mototrcyclists involved in an acciden, Accident Analysis and Prevention 40/2008, Elsevier Ltd pag 20-22
Mangs J., On the fire dynamics of vehicles and electrical equipment, Espoo 2004, VTT Publications 521, ISBN 951-38-6273-9, pag 62-101
Manuel S., Codescu S., Mocioi A., Computational simulation of road tunnel fire protection by sprinklers – Conferinta Internațională „Advanced in Fire and Safety Engineering 2014”, publicată în „European Jorunal of Environmental and Safety Sciences 2014 2(2)”, European Science and Research Institute, ISSN 1339-472X, pag 48-52.
Markstein G.H., Relationship Between Smoke Point and Radiant Emission from Buoyant Turbulent and Laminar Diffusion Flames, 20th Symposium (International) on Combustion, pag 1055–1061, The Combustion Institute, Pittsburgh (1984)
McGrattan K. et al, Fire Dynamics Simulator (Version 5) – Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018-5, 2007
Migoya E., A simplified model of fires in road tunnels. Comparison with three-dimensional models and full-scale measurements, elsevier, Tunnelling and Underground Space Technology 24 (2009), pag 37–52
Migoya E., Garcia J., Crespo A., Gago C., Rubio A., Determinaion of the heat release rate inside operational road tunnels by comparison with CFD calculations, in Tunnelling and Underground Space Technology, May 2010, pag 5-7
Modeling – Proceedings: Pedestrian Evacuation Dynamics 2008 Pages: pag 721 – 732
Neacșa F., Șerban M., Enciu V., Anghel I., Trofin A., Bălănescu L., Mocioi A., Codescu S., Măsuri de îmbunătățire a nivelului poluării mediului în tunelurile din orașe – A XV-a Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”, Sebeș, județul Alba, 6-7 iunie 2015, ISSN 2067-7138, Secțiunea ‘’Inginerie generală’’, 6 pag
Netcu C., Contribuții la prevenirea și managementul situațiilor de urgență la metrou. Teză de doctorat, Uiversitatea “Politehnica” din București, 2012
Netcu C., Panaitescu V. N., Popa C., Anghel I., Simulare 3D a evacuării unei stații de metrou în cazul unei situații de urgență, Sesiunea de Comunicări Științifice a Facultății de Pompieri, Academia de Poliție “Alexandru Ioan Cuza” – „SIGPROT 2011”, București, 3 Noiembrie 2011, pag 153 – 157, Editura Matrixrom, ISSN 1844-7805 conferință națională cu participare internationala
Nicolescu H. M., Forța unei picături de apă: Sistemele de stingere a incendiilor cu ceață de apă, SIGURA TOTAL FIRE & BUILDING ENGINEERING, 40546, 2009
Nilsson D., Johansson M., Frantzich H., Evacuation experiment in a road tunnel: A study of human behaviour and technical installations, in Fire Safety Journal, 27.06.2006, pag 6-8
Noordijk L., Lemaire T., Modelling of fire spread in car parks, Heron 2005, Vol. 50, No.4, pag 209-218
Oerle N. J., Lemaire A. D., P. H .E. van de Leur, Efficiency of thrust ventilation in closed car parks, Fire tests and simulations, TNO Report 1999-CVB-RR1442,1999
Ohlemiller J., Cleary T. G., Aspect of the Motor Vehicle Fire Threat from Flammable Liquid Spills on a Road Surface, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, USA, 1998
Parnell A. C., Underground Car Parks Fire Surveyor, 1985, pag 4-16
Parra M. T., Castro F., Villafruela J. M., Méndez C., Rodríguez M. A., Water mist behavior as flame supressant, Department of Energy and Fluid Mechanics Engineering, University of Valladolid, Spain, 2002
Patankar S.V. and. Spalding D.B, A Computer Model for Three–Dimensional Flow in Furnaces, 14th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh (1972), pag 605–614
Patankar S.V., Karkiand K.C., Kelkar K.M., Finite Volume Method, in Johnson, R.W., Ed., The Handbook of Fluid Dynamics, CRC Press (1998)
Patankar S.V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Taylor and Francis (1980)
Pavel A., Paraschiv M. și Voicu I., Protecția antiexplozivă a instalațiilor tehnologice. vol. 2. București, Editura Tehnică, 1993, pag 204-230
Pavel D., Contribuții la termohidrodinamica proceselor de stingere a incendiilor – Teză de doctorat, Universitatea Politehnica București, 2009
Petcana C., Pietreanu C., Strugariu R., Instalații de desfumare a construcțiilor tip atrium, A XV-A Conferință a Facultății de Instalații din cadrul UTCB „Confort, eficență, conservarea energiei și protecția mediului”, București, 26-27 noiembrie 2008, ISSN 1842 – 6131
Petcana C., Pietreanu C., Strugariu R., Noi concepte privind evacuarea utilizatorilor clădirilor înalte și foarte înalte, Scientific Conference with International Participation – SIGPROT 2008, București, May 30, 2008, ISBN 978-606-521-049-3, pag 58-64
Pietreanu C. M., Panaitescu V. N., Calcul de determinare a debitului volumic de fum dintr-un parcaj subteran utilizând reglementări britanice, Conferința științifică internațională Cercetări privind securitatea la incendiu a parcajelor subterane 144 "Edificarea societății durabile", Chișinău, 27-29 octombrie 2011. În volum, ISBN 978-9975-64-221-7, pag 267-271, Chișinău 2012
Pietreanu C. M., Strugariu R. D., Panaitescu V., Smoke Control and Noxes in Car Parks. Journal of Engineering Studies and Research, Volume 18 (2012), No. 2, ISSN 2068-7559, pag 94-101,PD 7974-6:2004
Pietreanu C., Strugariu R., Metoda indicelui de risc, A 42 – a Conferința națională de instalații a Facultății de Instalații din cadrul UTCB „Instalații pentru începutul mileniul trei”, Sinaia, 17-20 octombrie 2007, ISBN 978-973-755-249-5, pag 323-335
Pietreanu C., Strugariu R., Petcana C., Desfumarea caselor de scări închise subterane multietajate la clădirile înalte și foarte înalte, Scientific Conference with International Participation – SIGPROT 2008, București, May 30, 2008, ISBN 978-606-521-049-3, pag 320-327
Pietreanu C., Strugariu R., Petcana C., Metode matematice de analiză a incendiilor. Aplicație pentru un spațiu dintr-o construcție de locuit, A XV-A Conferintă a Facultății de Instalații din cadrul UTCB „Confort, eficență, conservarea energiei și protecția mediului”, București, 26-27 noiembrie 2008, ISSN 1842 – 6131
Pietreanu C., Strugariu R., Petcana C., Propagarea incendiilor și modurile de transfer termic în parcajele subterane, Scientific Conference with International Participation – SIGPROT 2011, București, Noiembrie 3, 2011, ISSN 1844 – 7805, pag 51-57
Popa C., Anghel I. și Panaitescu V., Ventilation in fire emergency situations, a life saver Conferința Națională de Termotehnică cu participare Internațională, Ediția a XVI-a, 31 mai-1 iunie 2007, Ploiești, pag 196-203, ISSN 1843-1992
Popa C., Panaitescu V., Study regarding using positive pressure ventilation in case of fires, Modelling and optimization in the machines building field – Universitatea din Bacău, ISSN 1224 – 7480 volumul 3, pag 194-199
Popa C., Stadiul actual al cercetărilor, național și internațional, privind modelarea și simularea matematice ale apariției, dezvoltării și propagării incendiilor în interiorul structurilor dezvoltate pe verticală, Raportul de cercetare nr. 1, Universitatea Politehnica, București, 2008
Poreh M., Trebukov S., Wind effects on smoke motion in buildings, Fire Safety Journal, 2000,Vol. 35, pag 257-273
Pryor A. J. et al–Hazards of smoke and toxic gases produced in urban fire – Final report, Contract no. DAHC20-70-C-0212 – Southwest Research Institute, Departament of Structural Research, San Antonio, Texas, U.S.A., September, 1969
Purkiss J. A., Fire Safety Engineering Design of Structures, UK, Elsevier Ltd., 2007, ISBN 0-7506-6443-6
Qu X., Quiang M., Zhiyuan L., Estimation Of Number Of Fatalities Caused By Toxic Gases Due To Fire In Road Tunnels, Accident Analysis and Prevention 50 (2013) 616-621, pag 4
Quintere J., Scaling Applications in Fire Research, Fire Safety Journal 15, 1989, pag 3-29
Quintiere J., A perspective on Compartment Fire Growth. Combustion Science and Tchnology, 1984
Raport CETU 1994 (le Centre d'Etude des Tunnels);
Recknagel Sprenger et Honmann, Manuel pratique du genie climatique– Paris 2002
Rehm R. G., Baum H. R., The equations of motion for termally Driven, Buoyant Flow. Journal of Research of the NSB, 83:197-208, 1978
Romand H. (CETU), Ventilarea tunelurilor rutiere și a parcărilor subteran–1991
Roșu D., Diaconu Ș. D., Considerații privind evoluția incendiilor în parcaje subterane înglobate construcțiilor civile, XIIIth Scientific Conference with International Participation -SIGPROT 2010, București, May 13-14, 2010
Roșu D., Diaconu Ș. D., Contribuții la evaluarea securității la incendiu a parcajelor subterane – Teză de doctorat, Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iași, 2010
Sandberg A., Unannounced evacuation of large retail-stores. an evaluation of human behaviour and the computer model simulex. Lund: Lund University, 1997
Susan O., Panaitescu V., Țuleanu C. The “backdraft”- the firemen’s nightmare. The 8th Conference with International Participation “Constructive and Technological Design Optimization in the Machines Building Field”, University of Bacau, Engineering Faculty, 22 – 24 October 2009, MOCM – Volume 15 (3) 2009, ISSN 1224-7480, pp. 75-80
Susan O., Panaitescu V., Țuleanu C., Lazăr D. Studiul fenomenului de flashover. A IX-a Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”. Sebeș – Alba, 5-6 iunie 2009, ISBN 973-8130-82-4, pp. 333-340
Susan O., Popa C., Țuleanu C., Panaitescu V. Flashover and fire analysis. A VI-a Conferință a hidroenergeticienilor Dorin Pavel, 27 – 28 mai 2010. (CD version)
Wildland Fire in Ecosystems, Effects of Fire on Air, General Technical Report RMRS-GTR-42- volume 5, December 2002
Wildland Fire in Ecosystems, Effects of Fire on Soil and Water, General Technical Report RMRS-GTR-42- volume 4, December 2002
wol.jw.org
www.nrc.gov
www.thunderheadengineering.com
www.zf.ro
Zhong W., Fan C.G., Ji J., Yang J.P. – Influence of longitudinal wind on natural ventilation with vertical shaft in a road tunnel fire, in International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, pag 1-3
Zoicaș C.R., Studii și strategii manageriale privind identificarea, analizarea, evaluarea și cuantificarea riscurilor asociate evenimentelor de urgență. Teză de doctorat, Universitatea „Petrol – Gaze” din Ploiești, 2008
Anexe
Anexa 1. Lista principalelor notații și abrevieri
Anexa 2. Lista figurilor
Anexa 3. Lista tabelelor
Anexa 4. Lista lucrărilor autorului
Anexa 1. Lista principalelor notații și abrevieri
Principalele abrevieri utilizate în lucrare
Anexa 2. Lista figurilor
Figura 6.1. Schema logică a lucrării………………………………………………………………………… 121
Anexa 3. Lista tabelelor
Anexa 4. Lista lucrărilor autorului
Teza de doctorat
Studii și contribuții privind prevenirea și managementul situațiilor de urgență în tunelurile rutiere. Conducători științifici: prof. dr. ing. Daniela POPESCU, Universitatea Tehnică „Gh. Asachi” din Iași; prof. emerit dr. ing. Valeriu Nicolae PANAITESCU, Universitatea POLITEHNICA din București,.09.2015.
În reviste indexate ISI
1. Anghel I., Brănișteanu B., Lalu O., Codescu S., Panaitescu V., Heat release rate of liquid pool fires in a 1:10 reduced-scale single passenger car in a road tunnel. Revista de Chimie. ISSN 0034-7752 – articol în curs de publicare
În volumele unor manifestări științifice internaționale ISI Proceedings
Anghel I., Pesic D. J., Codescu S., Popescu D., Panaitescu V., Lalu O. 3D fire dynamic scenario for training systems based on immersive virtual reality for firefighters, Innovative Manufacturing Engineering International Conference, IManE 2015 International Conference, May, 21-22, Iași, Romania. (în evaluare ISI Proceedings, Thomson Reuters)
Codescu S., Panaitescu V., Popescu D., Chisacof A., Anghel I., Șerban E. Study and improvement of road tunnels fire behavior using PYROSIM, Innovative Manufacturing Engineering International Conference, IManE 2014 International Conference, 29th – 30th May 2014, Chișinău, Republic of Moldova. Applied Mechanics and Materials Vol. 657 (2014) pp 790-794, ISSN 978-3-03835-275-4. Online available since 2014/Oct/08 at www.scientific.net © (2014) Trans Tech Publications, Switzerland doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.657.790. (ISI Proceedings, Thomson Reuters)
În reviste de circulație internațională, indexate BDI
În reviste naționale, indexate BDI
Codescu S., Popescu D., Panaitescu V., Computational simulation of road tunnel fire protection, by using sprinklers, U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 77, Iss. 2, 2015. ISSN 1454-2358, pp. 271-278
Articole/studii publicate în volumele unor manifestări științifice internaționale și naționale
În volumele unor manifestări științifice internaționale BDI
Lalu O., Brănișteanu B., Codescu S., Popescu D., Panaitescu V., Anghel I., Popa C., Enache F. Proper Implementation of Car Fires HRR in Computer Simulation Purpose, A XV-a Conferință internațională multidisciplinară „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”. Sebeș – Alba, 5-6 iunie 2015. Știință și inginerie. Vol. 28/2015, ISSN 2067-7138, Editura AGIR, București, 2015, pp. 201-208
Codescu S., Panaitescu V., Cucu A., Gheorghiu S., Simulare computerizată a unui incendiu la un autoturism într-un spațiu semideschis, A XIV-a Conferință internațională multidisciplinară „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”. Sebeș – Alba, 6-7 iunie 2014. Știință și inginerie. Vol. 26/2014, ISSN 2067-7138, Editura AGIR, București, 2014, pp. 319-324
Codescu S., Chisacof A., Panaitescu V., Environmental consequences and risk factors after a fire in a road tunnel, Septième edition du COlloque Francophone en Energie, Environnement, Economie et Thermodynamique COFRET'14, 23 – 25 avril 2014, CNAM, Paris (France)
Codescu S., Panaitescu V., Anghel I., Popa C., Șerban M., Pastramă T. Analysis of connection between tunnels complexity and fire safety management, Energie, Eficiență, Ecologie și Educație – Conferință tehnico-științifică cu participare international, Ediția a 2-a, 10-11 aprilie 2014, Chișinău – Republica Moldova. CEP USM, 2014, ISSN 978-9975-71-505-8, pp. 96-103
Codescu S., Panaitescu V., Considerente privind nivelul acceptabil de risc la incendiu al tunelurilor, Conferința tehnico-științifică cu participare internațională Energie, Eficiență, Ecologie și Educație. 23-24 mai 2013, Chișinău – Republica Moldova. Centrul editorial-poilgrafic al USM, Chișinău, 2013, ISSN 978-9975-71-505-8, pp 90-94
Manuel S., Codescu S., Mocioi A., Computational simulation of road tunnel fire protection by sprinklers, Conferinta Internațională „Advanced in Fire and Safety Engineering 2014”, publicată în „European Jorunal of Environmental and Safety Sciences 2014 2(2)”, European Science and Research Institute, ISSN 1339-472X, pag. 48-52
În volumele unor manifestări științifice naționale, cu sau fără participare internațională
Codescu S., Panaitescu V., Gheorghiu S., Cucu A, Evacuarea unui tunel rutier în cazul unei situații de urgență. simulare computerizată 3D, Conferința națională multidisciplinară “Profesorul Ion D. Lăzărescu, fondatorul școlii românești de teoria așchierii”, Ediția a II-a, Cugir, 10 septembrie 2014. Inginerie–Cugir, Editura GRINTA, Cluj-Napoca, 2014, ISBN 978-973-126-614, vol. II, pp. 1056-1060
Codescu S., Panaitescu V., Considerente asupra prevenirii și managementului situațiilor de urgență generate de incendii în tunelurile rutiere, Conferința națională multidisciplinară “Profesorul Ion D. Lăzărescu, fondatorul școlii românești de teoria așchierii”, Ediția I, Cugir, 20 septembrie 2013. Inginerie–Cugir, Editura GRINTA, Cluj-Napoca, 2013, pp. 504-509
Codescu S., Aspecte privind prevenirea situațiilor de urgență în tunelurile rutiere, Sesiunea a XV-a de comunicări științifice cu participare internațională a Facultății de Pompieri „SIGPROT – 2012-2013”, 17 mai 2013, ISBN 978-606-591-972-3, București, pag. 117-122
Codescu S., Considerente asupra stadiului actual al implementării măsurilor de securitate ale tunelurilor rutiere din România, A XIII-a Conferință Națională multidisciplinară – cu participare internațională – „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”, Sebeș, județul Alba, 7-8 iunie 2013, Secțiunea ‘’Inginerie generală’’, Editura AGIR, Vol. 23/2013, ISSN 2067-7138, pag.180-183
Codescu S., Gheorghiu S., Popa C., Pastramă T., Simulare computerizată a evacuării unui tunel rutier, Sesiunea a XVI-a de comunicări științifice cu participare internațională a Facultății de Pompieri „SIGPROT – 2014”, 16 mai 2014, București, ISBN 978-606-591-972-3, pag. 711-716
Neacșa F., Șerban M., Enciu V., Anghel I., Trofin A., Bălănescu L., Mocioi A., Codescu S., Measures to Improve ât The Level of Environmental Pollution in Cites Tunnels, A XV-a Conferință internațională multidisciplinară „Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești”. Sebeș – Alba, 5-6 iunie 2015. Știință și inginerie. Vol. 28/2015, ISSN 2067-7138, Editura AGIR, București, 2015, pp. 81-86
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Analize Experimentale de Simulare Numerica cu Privire la Evacuarea Tunelurilor Rutiere (ID: 161877)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.