T. Łodygowski, P.W. Sielicki Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych Ocena bezpieczeństwa budynku w wyniku eksplozji ( Estimation of building safety under explosion ) T. Łodygowski, P.W. Sielicki tomasz.lodygowski@put.poznan.pl piotr.sielicki@put.poznan.pl Rydzyna, 18-20 Listopada, 2010 The support of the Ministry of Science and Higher Education under the grant N519-419435 is kindly acknowledged. Poznań University of Technology

Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych I. MOTYWACJA II. ZADANIE i OCENA ZAGROŻENIA III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA IV. BEZPIECZEŃSTWO V. PODSUMOWANIE i WNIOSKI Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych I. MOTYWACJA Obiekty użyteczności publicznej powinny być szczególnie chronione na okoliczność występowania nietypowych rodzajów obciążenia takich jak obciążenie wybuchem. W szczególności są to: Lotniska/Dworce Centra Handlowe/Biurowe Placówki Finansowe Zaopatrzenie w wodę i paliwo Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

II. ZADANIE i OCENA ZAGROŻENIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych II. ZADANIE i OCENA ZAGROŻENIA Piętro budynku o wymiarach w rzucie 30x60m2, 3.5m wysokości. Budynek konstrukcji monolitycznej. Otwory okienne umieszczono na każdej ze ścian budynku. W obiekcie nie zastosowano żadnych barier przeciwwybuchowych. ZAGROŻENIE Objętościowa eksplozja mieszaniny powietrzno-gazowej w pomieszczeniu „p1” ZADANIE Maksymalizacja bezpiecznej powierzchni do pracy (strefa zielona) E KORYTARZE E E KORYTARZE STANOWISKA PRACY + SERWERY KOMPUTEROWE KORYTARZE KORYTARZE Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

II. ZADANIE i OCENA ZAGROŻENIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych II. ZADANIE i OCENA ZAGROŻENIA Zagrożenie wybuchem odpowiada energii 173m3 (2tTNT) mieszaniny gazowej Propan-Powietrze. Konstrukcja budynku uwzględnia tego rodzaju nietypowe obciążenie. Ściany wykonano jako żelbetowe grubości 25cm oraz 50cm dookoła pomieszczenia „p1”. BEZPIECZEŃSTWO PERSONELU01 i SERWERÓW DANYCH02 Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Fala ciśnienia propaguje się w powietrzu, którego zachowanie opisuje równanie stanu gazu doskonałego1. Nagłe rozprężenie i eksplozja mieszaniny wybuchowej także opisano równaniem stanu2. UWAGA ! Uwzględniono otwory drzwiowe o szerokości 100 i 110cm, wysokości 210cm w świetle otworu. Uwzględniono redukcję efektu działania fali ciśnienia w pomieszczeniach w skutek propagacji części fali na zewnątrz budynku przez otwory okienne. Type of Charge Propane-Air Mixture Mass [kg] 330 Volume [m3] 172.8 Specific Energy [J/kg] 2.73e7 Density [kg/m3] 626 liquid 1.9 mixture Detonation speed [m/s] 1680 Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Ciśnienie na czole fali uderzeniowej zwiększa swoją wartość w wyniku odbicia od przegrody. Uwzględniono nieskończenie sztywne, nieodkształcalne przegrody (ściany, stropy). Wpływ kąta nachylenia przegrody na zwiększenie ciśnienia fali uderzeniowej od 0 do 90 deg. FALA KORYTARZE Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Porównanie otrzymanych wyników (linia niebieska) ze współczynnikiem wg UFC-340-02 (linia czerwona). UWAGA ! Uwzględnienie odbicia fali od nieskończenie sztywnej przegrody pozwala uzyskać wyniki zgodne z badaniami eksperymentalnymi. Kompletny model obiektu (ściany i stropy) przyjęto jako nieodkształcalne. Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych III. WYBUCH i PROPAGACJA FALI CIŚNIENIA Z uwzględnieniem powyższych założeń otrzymano numeryczny model budynku, w którym nastąpiła eksplozja. Otrzymano propagację ciśnienia wewnątrz budynku w funkcji czasu. Brak otworów okiennych CIŚNIENIE t=0.0006s t=0.008s Otwory okienne KORYTARZ t=0.02s t=0.05s Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – KRYTERIA Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – KRYTERIA Poniżej przedstawiono problem oceny stopnia bezpieczeństwa oraz kryteria bezpieczeństwa personelu (sprzętu) w wyniku obciążenia wybuchem. 1. Kryterium przeciążeniowe 3g < 1200s 5g < 60s 8g < 10s 18g < 0.2s 25g < 0.001s 60g (dla dysków serwerów) 2. Uszkodzenie bębenków usznych Ciśnienie vs Impuls Ciśnienia (UFC) 3. Uszkodzenie klatki piersiowej Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Kryterium Przeciążeniowe Mapa przeciążeń (przyspieszeń ruchu cząstek powietrza m/s2) w budynku Bezpieczeństwo serwerów (60g, 20%) vs Bezpieczeństwo pracowników (25g, 14%) Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Określenie bezpieczeństwa wszystkich pomieszczeń na podstawie kolejnych kryteriów – uszkodzenia bębenków usznych i płuc. R16a R16b R16c R05b R15c R13 R12 R11 R06b R15b R07c R10 R05a R04c R15a R07b R09 R06a R14 R07a R17 R08 P=1.95e6 Pa R01a R02 R03 R04a R04b Dla fragmentu pomieszczenia (R17) otrzymano 696 punktów (w odległości co około 10cm w przestrzeni rzeczywistej), dla których obliczono przebieg zmian ciśnienia w czasie. I1 =320000 Pas I2 =1380 Pas/kg(1/3) Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Określenie bezpieczeństwa wszystkich pomieszczeń dla kryterium Uszkodzenie bębenków usznych R17 P=1.95e6 Pa I1 =320000 Pas I2 =1380 Pas/kg(1/3) Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Określenie bezpieczeństwa wszystkich pomieszczeń dla kryterium Uszkodzenie klatki piersiowej (płuc). R17 P=1.95e6 Pa I1 =320000 Pas I2 =1380 Pas/kg(1/3) Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – ANALIZA WYNIKÓW Zbiorcze zestawienie wg kryteriów uszkodzenia organów wewnętrznych klatki piersiowej3 (płuc) dla wszystkich pomieszczeń piętra Śmiertelność >99% Śmiertelność =50% Śmiertelność <1% Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

IV. BEZPIECZEŃSTWO – ROZWIĄZANIA ALTERNATYWNE Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych IV. BEZPIECZEŃSTWO – ROZWIĄZANIA ALTERNATYWNE Piętro nr -02 Zmienne wymiary nadproży (0.5 vs 1.0m). Dokonano oceny wpływu wysokości nadproża na propagację fali ciśnienia oraz wpływ na kryterium zdrowia02 personelu dla piętra poniżej poziomu terenu (brak otworów okiennych). Piętro nr+16 W oparciu o kryterium zdrowia03 personelu dokonano ocenę wpływu umieszczenia otworów okiennych* w pomieszczeniu, w którym może wystąpić eksplozja (p1), w celu zniwelowania jej skali i osłabienia propagacji ciśnień w pozostałych pomieszczeniach. Różnica w propagacji ciśnienia w wyniku uwzględnienia zmiennych wysokości nadproży drzwiowych wg kryterium uszkodzenia membrany usznej 0.5 vs 1.0m Różnica w propagacji ciśnienia w wyniku uwzględnienia otworów w ścianach w pomieszczeniu „p1” dla kryterium uszkodzenia ucha i klatki piersiowej. Retrofit vs ED Retrofit vs LD Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

V. PODSUMOWANIE i WNIOSKI Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych V. PODSUMOWANIE i WNIOSKI W trakcie analizy propagacji fali ciśnienia należy uwzględnić wnęki okienne oraz otwory w ścianach i stropach (np. szyby windowe, wentylacyjne) Zastosowanie wyłącznie jednego z dostępnych kryterium bezpieczeństwa personelu nie daje odpowiednio wiarygodnych wyników Metoda komputerowej analizy jest skuteczna i pozwala otrzymać dobre (eksperymentalnie powtarzalne) wyniki przy niewielkim nakładzie w porównaniu do eksperymentów rzeczywistych Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology

T. Łodygowski, P.W. Sielicki Trwałość i skuteczność napraw obiektów budowlanych Dziękujemy za uwagę .. T. Łodygowski, P.W. Sielicki tomasz.lodygowski@put.poznan.pl piotr.sielicki@put.poznan.pl Estimation of building safety under explosion – T. Łodygowski and P.W. Sielicki Poznań University of Technology