Runehamar隧道模拟半拖车装载之货物全尺度fullscall火灾试验课件.ppt

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1、1,Runehamar隧道模擬半拖車裝載之貨物全尺度（full scall）火災試驗交通部高速公路局北區工程處 程經華副處長 翻譯整理長隧道管理研習營(三)荷蘭研究成果研討,2,壹、前言貳、試驗室試驗參、全尺度火災試驗肆、試驗項目伍、總結,3,壹、前言,歐洲最近幾年數起公路隧道嚴重的火災，造成重大災害，人員的傷亡及隧道結構的破壞，有數月甚至數年無法通車，對社會經濟造成很大衝擊，如1999年法、義交界處白朗峰（Mont Blanc）隧道火災39人死亡，1999年奧地利陶恩（Tauern）隧道火災12人死亡，2001年瑞士聖哥達（St.Gotthard）隧道火災11人死亡。半拖車（Semi-tra

2、iler）載貨扮演重要角色，半拖車載貨量大且有極易引燃性之貨物，有相當大之火載量。由於對載貨半拖車所引發的火災，包括載貨的類型，隧道通風的情形及火勢擴散而延燒鄰車等資料的不足，因而促使歐盟有關國家當局發起起草立法，成立基金作各項研究計劃與建立各種網路計劃。,4,UPTUN計劃-是以符合成本效益，持續與創新的方法，來改善既有隧道防火安全之計劃。此計劃開始於2002年9月，為期4年之研究發展計劃，包括由17個歐洲國家的41個團體構成。FIT計劃-有關歐洲各類隧道防火為主題之網路計劃（European Thematic Network on Fire in Tunnels），提供有關火災及隧道之最新

3、知識與研究訊息的傳播平台，由12個歐洲國家的33個團體組成。,壹、前言,5,壹、前言,2003年9月由參與UPTUN計劃之瑞典國家試驗與研究機構SP、荷蘭應用科學研究組織（TNO）、挪威火災研究實驗室SINTEF/NBL，在挪威西岸廢棄的Runehamar隧道中進行了模擬半拖車裝載之貨物全尺度火災試驗研究，提供隧道管理當局、隧道設計者及消防救援單位重要的資訊。,6,貳、試驗室試驗,目的:為了對隧道火災發展有初步了解，估算在全尺度試驗中不同材料組合的各種類型貨物其最大熱釋放率（heat release rate,HRR）。在瑞典國家試驗與研究機構SP之火災試驗室，於開放空間大型遮煙罩系統（工業級

4、熱量計）下自由燃燒，分別對不同材料組合的三種類型貨物進行燃燒試驗。,7,貳、試驗室試驗,一、試驗貨物之類型（一）第一類型：木棧板與塑料棧板組合（82/18）。（二）第二類型：木棧板與聚氨酯墊（PUR,Polyurethane mattress）組合（81/19）。（三）第三類型：紙板箱裝聚苯乙烯（PS,Polystyrene）杯子（81/19）。括弧中之比例分別為纖維料與塑料所占之比例。試驗貨物數量分別為全尺度試驗數量的1/24（不含火勢擴散引燃之目標棧版堆）及1/28（含火勢擴散引燃之目標棧版堆）。三種類型貨物均由二組棧板堆組成，高度為1.5公尺，約為全尺度試驗一半之高度，底部離地面高1.1

5、公尺。,8,貳、試驗室試驗,二、試驗結果,第二類型火勢成長率最快，第一類型熱釋放率最大值為7750KW，第二類為6964KW，第三類為3960KW。,表1、試驗室測得之最大HRR值及全尺度試驗各種類型貨物估計之最大HRR值,9,貳、試驗室試驗,二、試驗結果,圖1、第一類型貨物火災試驗（左），三種類型貨物之熱釋放率（右）。,10,參、全尺度火災試驗,一、隧道簡介 Runehamar隧道位在挪威西岸，距首都奧斯陸（Oslo）約400公里，屬挪威公路局（Norwegian Road Administration）所轄，為堅硬之片麻岩，雙向AC路面之公路隧道，長1,650公尺，最低高度 6.39公尺，

6、寬度8.17-9.40公尺，坡度1-3%之間，約在10年前廢棄不用。,11,參、全尺度火災試驗,一、隧道簡介,圖2、Runehamar隧道，為堅硬之片麻岩，雙向瀝青混凝 土公路隧道,12,參、全尺度火災試驗,二、測試貨物類型,（一）、第一類型:360個1200*800*150mm木棧板，20個 1200*1000*150mm木棧板，74個1200*800*150mmPE塑料棧板。目標貨物為32個木棧板，6個PE棧板。（二）、第二類型:216個1200*800*150mm木棧板，240個PUR墊。目標貨物為20個木棧板，20個PUR墊。（三）、第三類型:傢俱與附屬裝置（傢俱用塑料緊密地包紮，木質

7、抽屜門，有PUR墊的沙發及扶手，製成標本的動物，塑料盆栽植物、木質玩具屋及塑料玩具），10個800公斤大橡膠輪胎。目標貨物為有墊的沙發與扶手。（四）、第四類型:貨物為600個內面為長600*寬400*高500mm的波狀紙板箱，裝有18000個PS材料的杯子，40個1200*100*150mm 木棧板。目標貨物為4個木棧板及40紙板箱裝有1800個PS材料的杯子。,13,參、全尺度火災試驗,二、測試貨物類型,圖3、第一類型貨物火災試驗,圖4、第二類型貨物火災試驗,14,參、全尺度火災試驗,二、測試貨物類型,圖5、第三類型貨物火災試驗,圖6、第四類型貨物火災試驗,15,參、全尺度火災試驗,二、測試

8、貨物類型,表2、四種類型貨物總重量及塑料所占比例,16,參、全尺度火災試驗,三、測試貨物及風機位置,二組移動式風機置於隧道東端，風由東端往西端吹送，一組置於隧道口前12公尺，另一組置於隧道內大約50-60公尺處。風機外徑1.52公尺，引擎馬力140HP，軸向推力2500N，基本送風量（primary air-flow rate）52.7m3/s。此二組風機在火源下游458公尺量測位置均能產生軸流風速3m/s，火源上游50公尺，點火前一分鐘平均最初軸流風速2.9-3.4m/s，在各次試驗中風速大約在2.5m/s。,17,參、全尺度火災試驗,三、測試貨物及風機位置,圖7、模擬半拖車貨物及目標貨物位

9、置,18,參、全尺度火災試驗,三、測試貨物及風機位置,圖8、模擬半拖車貨物、目標貨物及儀器佈設位置，T=瓦斯 氣體溫度計，PT=平板熱電偶溫度計，R=熱通量計,19,參、全尺度火災試驗,四、隧道保護,為了保護試驗的Runehamar隧道在高溫測試下不致遭受破壞，試驗單位要求隧道的隔熱保護材料須符合以下條件：能耐四次試驗的火災，最高溫度達1400。岩石隧道結構之溫度標準設定為250，此溫度是對 岩石材料造成最低損壞之安全溫度。隔熱保護材料不允許出現有任何整塊的破壞。隔熱保護材料要容易安裝，節省安裝時間，並且對於遭受例如機械性撞擊受損壞之部分要容易更換。,20,參、全尺度火災試驗,四、隧道保護,P

10、romatect-T板及其配件經過試驗室3次連續試驗，驗證其品質可符合要求，提供Promatect-T板來作為隔熱保護材料。,21,參、全尺度火災試驗,四、隧道保護,圖9、Promatect-T板隔熱保護位置之隧道斷面圖。,22,參、全尺度火災試驗,四、隧道保護,圖10、隧道用Promatect-T板來做為隔熱保護材料,23,肆、試驗項目,一、熱釋放率,圖11、距火源下游458公尺處儀器佈設圖。Tgastemoerature，ugas velocity，O2oxygen，CO2carbon dioxide，COcarbon monoxide，H隧道高度。,24,肆、試驗項目,一、熱釋放率,四種

11、類型貨物其熱釋放率最大值在71至203（平均值）MW間，達到最大值的時間是自點火後8-18.5分鐘。第一、二類型貨物熱釋放率超過130MW時，有一段時間火有脈 衝，最大脈衝速度為3-4m/s，最小為11.5m/s，頻率約45秒。,表3、四種類型貨物最大HRR值及火勢成長率,25,肆、試驗項目,一、熱釋放率,圖12、四種類型貨物熱釋放率HRR成長率曲線,26,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（一）、火勢成長全景,圖13、四種類型貨物點火5分鐘後火勢發展情形,27,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（一）、火勢成長全景,圖14、四種類型貨物點火30分鐘後火勢發展情形,28

12、,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（二）、貨物中之溫度及火勢擴散情形,圖15、貨物中熱電偶溫度計T1，T2，T3，T4佈設位置,29,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（二）、貨物中之溫度及火勢擴散情形,試驗結果顯示，在點火10-15分鐘後，貨物中之溫度上升至900-1000，而第一類型貨物其尖峰值達1200。第一類型貨物中靠近點火點之熱電偶溫度計TC-04，在點火3分鐘後溫度即上升，7分鐘後整個貨物全部著火燃燒。第二類型貨物顯示點火4分鐘後即全部燃燒。此四種類型貨物，全部著火燃燒的時間是在點火後8-10分鐘。,30,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（二

13、）、貨物中之溫度及火勢擴散情形,圖16、四種類型貨物中之溫度發展情形,31,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（二）、貨物中之溫度及火勢擴散情形,貨物燃燒長度為時間的函數，第一、三類型貨物顯示為線型關係，燃燒長度在1.3-6.5公尺間，火大約是以18m/s等速率擴散。第四類型貨物在相同燃燒長度下，火勢擴散速率更快。第二類型貨物在測試過程中部分貨物塌下而失敗，因此顯示燃燒長度為6.5m發生的時間較燃燒長度為3.9m時提早發生。,32,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（二）、貨物中之溫度及火勢擴散情形,圖17、溫度600時四種類型貨物之燃燒長度成長,33,肆、試驗項目,二

14、、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（三）、火場附近輻射熱程度,圖18、四種類型貨物試驗時熱通量計位置,34,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（三）、火場附近輻射熱程度,通常一物體表面輻射熱通量超過12.5KW/m2以上，即會引燃起火，因此會增高火勢擴散的危險。圖19 為四種類型貨物火場附近測得的輻射熱通量，引發火勢擴散之臨界值12.5KW/m2標明於圖中，第一類型貨物地面上之熱通量在15分鐘期間維持250KW/m2，隧道壁上測得的尖峰值為200KW/m2，平均值約為120 KW/m2，而火場上游5公尺距離仍有50 KW/m2。四種類型貨物火場上游5公尺距離之熱通量，均超過火勢擴散引燃

15、在此位置車輛之臨界值12.5 KW/m2，只是此擴散引燃鄰車危險維持的間不同而已，第一類型貨物火勢擴散的危險持續有55分鐘，其他三種類型測試貨物則為7-10分鐘。,35,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（三）、火場附近輻射熱程度,圖19、四種類型貨物火場附近之輻射熱通量,36,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（四）、輻射熱通量與消防隊員,一般而言，火場上游20公尺之輻射熱程度，是決定消防隊員是否能拿消防水柱到達火場的重要距離。試驗顯示消防隊員穿上防火衣，能耐的住之輻射熱通量為5 kw/m2，超過此值約5分鐘後會覺得疼痛難耐。圖20 為火場上游20公尺距離之輻射熱通量

16、曲線，顯示四類貨物輻射熱通量均低於臨界值5KW/m2，救火隊員能在火場20公尺遠的地方來滅火。,37,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（四）、輻射熱通量與消防隊員,圖20、四種類型貨物燃燒時離火場上游20公尺之熱通量,38,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（五）、離地面1公尺處隧道牆壁之熱載量,圖21為各類型貨物離地面1公尺高度隧道牆壁輻射熱溫度與一些熟知的額定火災升溫曲線圖，第一類型貨物顯示有900之平均溫度，持續30分鐘時間，其最高值達1110。第二類型貨物最高溫度為1000，第二、四類型貨物有15分鐘時間其平均溫度為800，第三類型貨物同樣15分鐘時間之平均溫

17、度較低，仍達700。在四種類型貨物測試中，隧道牆壁的溫度均超過用於建築材料火災試驗的ISO-834升溫曲線之溫度，第一類型貨物之溫度超過ISO-834曲線之溫度持續有30分鐘之久，而其他類型貨物則大約持續15分鐘之久。其它火災升溫曲線RABT（德國之RABT/ZTV隧道）與HC Eu1歐洲統一規範第一卷炭氫化合物（the hydrocarbon Eurocode1）曲線似較適合用於代表隧道牆壁上熱載量。,39,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（五）、離地面1公尺處隧道牆壁之熱載量,圖21、四種類型貨物燃燒時對離地面1公尺處隧道牆壁輻射熱溫度,40,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴

18、散情形，回流層（六）、回流層,圖22、四種類型貨物測試時熱電偶溫度計裝設位置,41,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（六）、回流層,依據Mr.Atkinson研究，熱釋放率大於10MW時，阻止熱回流層發生之通風臨界風速，於寬隧道為2.2m/s，窄隧道為2.5 m/s。從圖23、24中可得到回流層發生時之速度量測值與Mr.Atkinson所預相當一致，通風風速2.5 m/s足以阻止回流層發生。,42,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（六）、回流層,圖23、第三、四類型貨物火場上游之風速及預測之回流層發生期間,43,肆、試驗項目,二、輻射熱，火勢擴散情形，回流層（六）、

19、回流層,圖24、第三、四類型貨物火場上游25，75公尺處之溫度與Mr.Atkinson預測之回流層發生期間,44,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,圖25、各式量測儀器之設各式量測儀器之設置，中間之數字為距火源中央之距離，下方之數字為距隧道西端洞口之距離,45,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,（一）、圖26為四種類型貨物接近火場處測得之瓦斯 氣體溫度，四種類型貨物其火勢發展與最大熱釋放率均有不同，第一類型測試貨物其總熱能量（total energy content）最高，因此其熱釋放率為最大，所產生高溫瓦斯氣體的時間也較長，最高溫度可達1365；第二、三、四類型貨物之瓦斯

20、氣體最高溫度為1281-1305，第四類型貨物只有3120公斤，與其它類型貨物比較，其潛在產生之熱能最低，雖然所生成之高溫瓦斯氣體維持之時間較短，但是與第一類型貨物有相同的大小。四種類型貨物所產生瓦斯氣體溫度疾速增高前，因火勢緩慢擴散到貨物裡，溫度增高初期有延遲情形。,46,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,圖26、四種類型貨物接近火場處測得之瓦斯氣體溫度,47,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,（二）、圖27為第一類型貨物天花附近（在+10公尺 處）之瓦斯氣體溫度與四種不同之標準升溫曲線之比較，可看出瓦斯氣體溫度增高相當快速，約有3分鐘的時間幾乎緊隨炭氫化合物（hydro

21、carbon）升溫曲線，其後溫度更快速往上升，超越炭氫化合物升溫曲線，而循RWS曲線增高。四種類型貨物，其熱釋放率均未達300MW，但其產生之瓦斯氣體溫度曲線均循RWS曲線增高。,48,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,圖27、第一類型貨物接近火場（下游10M處）之瓦斯氣體溫度與四種不同之升溫曲線比較圖,49,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,參、四節說明為了安全，防止隧道天花岩石掉落，用Promatect-T板來做為隔熱保護材料，在試驗中及試驗後，有大岩塊掉落在無保護之上游及下游路上，無保護之下游到西端洞口路上幾乎都有掉落岩塊，圖28顯示此種隔熱保護是需要的。,50,肆、

22、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,圖28、無保護之隧道上游及下游路上有岩塊掉落,51,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,隧道雖然有通風，無保護之上游有大岩塊掉落是因回流層所造成，回流層的發生是火勢強度增加時，整個火場壓降增加，風速減低所致。圖29為第一類型貨物火場上游瓦斯氣體溫度，在火場上游40公尺處溫度超過100甚多，遠離火場上游100公尺處，溫度接近100。,52,肆、試驗項目,三、貨物燃燒時瓦斯氣體之溫度,圖29、第一類型貨物火場上游瓦斯氣體溫度,53,伍、總結,一、瓦斯氣體溫度 在隧道中模擬半拖車裝載四種不同類型之貨物，做全尺度火災試驗，這四種不同類型的貨物是由纖維素材

23、料與塑料，大約以80/20的比例組合裝載，是每天半拖車在公路上來往，也經常通過隧道所載運的貨物。雖然這四種不同類型之貨物其類型及數量有不同，但試驗結果顯示所生成之瓦斯氣體溫度在最初延遲後，溫度很快升高，此結果亦顯示隧道結構及其保護措施，必須能抵抗很高的溫度，最能代表此四種類型材料試驗結果的標準升溫曲線是RWS曲線。,54,伍、總結,二、熱釋放率（一）、在軸流通風情形下，四種類型貨物自點火後8-18.5分鐘達到熱釋放率尖峰值，尖峰值為71-203（平均值）MW。（二）、第一、二類型貨物熱釋放率超過130MW之一段期間，觀測到火及煙有脈衝情形。（三）、火災的成長在5-100MW（第四類型貨物為70

24、MW）為線性成長。（四）、熱通量量測結果顯示，消防隊員能在離火場20公尺遠的地方，拿消防水柱來滅火。,55,伍、總結,三、火勢擴散與離地面1公尺處隧道牆壁之熱載量（一）、四種類型貨物之火勢擴散快速，5-10分鐘內整個貨物全部著火。（二）、輻射熱所引發之火勢擴散，第一類型貨物火勢擴散距火源5公尺上游之車輛，持續時間有 55分鐘之久。此危險亦存在於第二、三、四類型貨物，此危險之持續時間為7-10分鐘。（三）、四種類型貨物對隧道牆壁之熱載量超過用於建築材料之標準ISO-384升溫曲線有15-30分鐘之久，RABT（德國之RABT/ZTV隧道）與HC Eu1歐洲統一規範第一卷炭氫化合物（the hyd

25、rocarbon Euro code 1）火災溫度曲線似更適用於代表隧道牆壁上熱載量。,56,伍、總結,四、回流層（一）、回流層發生時測得之風速與Mr.Atkinson 預測值甚一致，超過2.5m/s無回流層。（二）、沒有隔熱保護之上游天花，隧道岩石受 回流層高溫致掉落，對用路人逃生與消 防救災人員均有危險，同樣的問題，隧 道內之混凝土在高溫下亦會碎裂。未做 隔熱保護之下游天花，路上亦有掉落之 隧道岩石。,57,附記 本文及圖、表等係整理自以下諸位先生在Runehamar隧道全尺度火災試驗之研究報告，謹對作者敬致謝意。本文一方面是出國報告之一部分，一方面分享給對隧道中重型貨車火災試驗有興趣之先

26、進。文章中對作者之原文意如有誤解謬譯之處，敬請指正，並對作者致歉。交通部高速公路局北區工程處 程經華副處長 翻譯整理長隧道管理研習營(三)荷蘭研究成果研討,58,附記【1】Ingason,H.and Lnnermark,A.,PROJECT DESCRIPTION AND PLANNING OF LARGE SCALE TESTS IN RUNEHAMAR TUNNEL,SP Swedish National Testing and Research Institute,Bors Sweden,August 2003.【2】Ingason,H.and Lnnermark,A.,LARGE SC

27、ALE FIRE TESTS IN THE RUNEHAMAR TUNNEL Heat Release Rate(HRR),SP Swedish National Testing and Research Institute,Sweden.【3】Lnnermark,A.and Ingason,H.,LARGE-SCALE FIRE TESTS IN THE RUNEHAMAR TUNNEL-Gas temperature and radiation,SP Swedish National Testing and Research Institute,Sweden.【4】Lemaire,A.,R

28、UNEHAMAR TUNNEL FIRE TESTS radiation,fire spread and back layering,TNO Building and Construction Research,Centre for Fire Research,The Netherlands.【5】Opstad,K.and Wighus,R.,FIRE SUPPRESSION SYSTEMS FOR ROAD TUNNELS(UPTUN),SINTEF,Norwegian Fire Research Laboratory(NBL),Norway.【6】Brekelmans,J.W.P.M.an

29、d Goudzwaard,D.van,RUNEHAMAR tests as part of the UPTUN project,TNO Building and Construction Research,Centre for Fire Research,The Netherlands【7】Olst,D.van and Bosch,Ren van den,PROTECTING THE RUNEHAMAR TUNNEL IN NORWAY WITH PROMATECT“-T AGAINST MULTIPLE FIRES,AS PART OF THE UPTUN RESEARCH PROGRAMME,PROMAT BV,Tunnel fire protection,The Netherlands.【8】Anton,O.and Wu,X.,RUNEHAMAR TUNNEL FIRE TESTS UPTUN-FIRE PROTECTION,PROMAT International NV,Belgium.,59,報告完畢敬請指正,