Palo-osastoinnin luotettavuuden laskennallinen arviointi Simo Hostikka Aalto-yliopisto Terhi Kling, Antti Paajanen, Anna Matala Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy Palotutkimuksen päivät 2015
Johdanto Palo-osastointi on rakennetun ympäristön paloriskien hallintakeinoista tärkein. Vaatimukset eristävyydelle (I) ja tiiviydelle (E). Lisäksi vaatimuksia kantavuudelle (R) sekä iskunkestävyydelle (M). Tärkeä rooli myös ydinvoimaloissa. Eri turvallisuuslohkojen välillä vähintään luokitus EI-M 120. Työ tehty osana ydinvoimaloiden turvallisuustutkimusohjelmaa SAFIR2014. Rak.mk. EI SFS-EN13501-2 EN 1363-1 Ala-Outinen et al. Pelastustieto 58 (2007) YVL-ohjeet, osa B.8 STUK (2013)
Motivaatio Osastoinnin luotettavuus riippuu sekä rakenteesta että muista komponenteista. Luotettavuus = f(käytettävyys, tehokkuus) Haaste: Yhteys standardipaloon perustuvan luokituksen ja todellisen palon aiheuttaman vaurioitumistodennäköisyyden välillä ei ole selvä. Tavoitteena menetelmä osastoivan rakenteen tehokkuuden arviointiin, yhdistämällä todennäköisyyspohjainen palosimulointi rakennusosien arvioinnin yksinkertaistettuihin menetelmiin
Menetelmä hyväksymiskriteerit Laskennallisesti tarkastellaan nyt vain eristävyyttä. EN 1363-1: hyväksyttävää on 140 C nousu kylmän puolen keskilämpötilassa ja 180 C nousu yksittäisessä pisteessä. Riskianalyysissä voidaan valita muitakin kriteerejä. 140 / 180 C nousu on relevantti monissa sovelluksissa, koska monien materiaalien lämpöhajoaminen alkaa n. 200 C:ssa. Elektroniikkatiloissa esim. laitteiden ilmoitettu ylin käyttölämpötila. 4
Menetelmä lämmönsiirtomalli Yksinkertaisissa tapauksissa ratkaistaan yksiulotteinen lämmönjohtumisyhtälö = Reunaehtoina säteily ja konvektio kuumalla ja kylmällä puolella. Monimutkaisemmissa tapauksissa on käytettävä jotain FEM-ohjelmistoa sekä esim. FDS2FEM-työkalua reunaehtojen siirtämiseksi CFD:stä FEM-ohjelmaan. 5
Menetelmä osastointitehokkuus 1. Yksinkertaiset rakenteet: FDS-ohjelman 1-D malli. 2. Monimutkaiset rakenteet: kytketty CFD-FEM. Gautier et al. (2010) 3. Monimutkaiset rakenteet nopeasti: Sovelletaan EPRESSI-menetelmää: I. Suorituskykykäyrät Tp,i, i = 1 N II. Lasketaan palon lämpötila Tf III. Komponentin suoriutumisindeksi 1, jos : f < p,, = 0, muulloin 6
Menetelmä osastoinnin menettämisen todennäköisyys Nf palosimulointia Yhden komponentin osalta osastointi säilyy todennäköisyydellä os = =f 1 f Menetys: (1-Pos). Kokonaisuus summana Epäkäytettävyys + vasteajat (Minton 2010) 7
Tulokset Ydinvoimalan kaapelitila 100 FDS simulointia Adiabaattinen pintalämpötila eri kohdissa 8
Liekkirintaman eteneminen tilassa Travelling fire 20 min 23 min Vaeltava palo? 43 min 100 min 117 min 125 min 140 min 165 min Laitoksen nimi 9
Vaeltavan palon (travelling fire) parametrinen esitys Stern-Gottfried & Rein (2012) 10
Esimerkki Vaeltavan palon parametrit T a = 20 C t p [40 100] min T p = 1100 C t p [10 240] min T b = 500 C 2 mm 52 mm 2 mm Lämmönjohtuminen palo-oven (teräs-villa-teräs) läpi 11
Esimerkki (jatk.) Kuuman puolen lämpötilat Kylmän puolen lämpötilat P os 60 % 12
Johtopäätökset Tavoitteena laskennallisesti tehokas menetelmä osastoivien rakenteiden toimivuuden arviointiin. Laskennallista tehokkuutta haettiin ns. suorituskykykäyrien avulla. Suurissa, laajalle jakautunutta palokuormaa sisältävissä tiloissa palon lämpötiloja on vaikea kuvata pienellä joukolla parametrisoituja käyriä. Syynä vaeltavat palot (travelling fire). Palon leviämisen ja rakenteen vasteen välinen kytkentä. Vaikutus rakenteiden suunnittelumenetelmiin? 13
Oletukset palon luonteesta rakennusten suunnittelussa Huonepalo Paikallinen palo Vaeltava palo 1 2 Kohdassa 2 saavutetaan korkeampia lämpötiloja kuin kohdassa 1. 14
Kiitokset Työn rahoitus saatiin Kansallisen ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimusohjelman SAFIR2014 kautta. Kiitämme Tatu Pinomaata ja Timo Korhosta VTT:ltä heidän antamastaan simulointiavusta. 15