0

publicatie: Rookverspreiding en warmteoverdracht bij brand

1 Inleiding

1 Inleiding

1.1 Historische achtergrond

Het stelsel van regels waarmee de ontwerper van een gebouw kan werken om zijn ontwerp brandveilig te maken, is in de loop van vele jaren ontwikkeld. Dit is met name gebeurd op basis van praktijkgegevens en van beproevingen van materialen en constructies. De inbreng van de wetenschap in de vorm van rekenmethoden voor de ontwerppraktijk is beperkt gebleven.

Vanuit dit historische gegeven is het begrijpelijk, dat de bestaande regels zijn toegesneden op de traditionele bouwwijzen, materialen en procedures. De regels leiden overigens voor die omstandigheden tot een bevredigend veiligheidsniveau, zoals kan worden afgeleid uit de relatief geringe schadecijfers ten gevolge van brand (in vergelijking met andere schade-oorzaken en met omringende landen).

De laatste jaren doen zich echter ontwikkelingen voor op het gebied van bouwwijzen (grote open ruimten), materialen (toepassing van kunststoffen) en installaties (beheersystemen, "intelligente gebouwen"). Ook is het beperken van de verspreiding van rook bij brand nog niet zo lang als expliciete doelstelling in de regelgeving opgenomen, terwijl uit de praktijk bekend is dat de meeste slachtoffers vallen door rook, niet door hitte van de brand zelf.

Deze ontwikkelingen worden niet afdoende gedekt door de bestaande regels, hetgeen betekent dat onduidelijk is of het eerder aanwezige veiligheidsniveau gehandhaafd blijft. Anderzijds bestaat een duidelijke behoefte aan methodieken om nieuwe ontwikkelingen reeds in een vroeg stadium op hun brandveiligheidsaspecten te toetsen.

Op diverse deelgebieden van de brandveiligheid heeft de ontwikkeling van nieuwe analysemethoden gelijke tred kunnen houden met de ontwikkelingen in de bouwpraktijk. Zo staan voor de bepaling van de brandwerendheid van constructiedelen geavanceerde rekenmethoden ter beschikking, onder andere in de vorm van eindige-elementenpakketten (voorbeelden: DIANA, PATRAN). Deze rekenmethoden worden met succes in de praktijk toegepast.
Op andere deelgebieden zijn nieuwere methoden minder doorgedrongen. Met name kan hierbij worden genoemd het stadium van een brand, voorafgaand aan vlamoverslag; hiertoe behoren het ontstaan van de brand en zijn groei tot "volledig ontwikkelde brand". Belangrijke vragen zijn: hoe verloopt het proces van de branduitbreiding? Hoe verloopt de rookverspreiding? Hoe kunnen deze processen worden beïnvloed? Hoe kunnen de gevolgen ervan worden opgevangen? Door het ontbreken van rekenmethoden voor het beantwoorden van dit type vragen kunnen in de regelgeving terzake te weinig nuances aangebracht worden, hetgeen in de praktijk leidt tot niet-optimale veiligheidsmaatregelen.

Het feit dat slechts een klein aantal rekenmethoden in de regelgeving is doorgedrongen, betekent echter niet dat er niet veel meer bestaan. Integendeel, verschillende rekenmethoden op het gebied van de brandveiligheid staan de ontwerper (architect, installatie-ontwerper) ter beschikking, uiteenlopend in ingewikkeldheid, toepassingsgebied en hanteerbaarheid. In de volgende paragrafen worden de verschillende categorieën modellen globaal beschreven.

1.2 Inventarisatie modelcategorieën

Aan de onderkant van de schaal zijn er de eenvoudige, op praktijkgegevens en op sterk vereenvoudigde fysische relaties gebaseerde rekenregels, of vuistregels. Als voorbeelden hiervan op het gebied van rookverspreiding zijn te noemen: de uitbreidingssnelheid van een brand in een winkelruimte; de rookproduktie van een brand van gegeven omvang (vermogen); de relatie tussen enerzijds het vermogen van de brand en de hoogte van de hal, en anderzijds de hoeveelheid rook die per tijdseenheid aan de rooklaag in een hal wordt toegevoerd.
Vuistregels van dit type zijn al in de vijftiger en zestiger jaren ontwikkeld, en zijn voor de dagelijkse praktijk voor ontwerpers toepasbaar. Publikatie SBR-233 "Rookafvoer uit hoge ruimten" [1], en tabellen van de Duitse verzekeraarsorganisatie VdS [11] beschrijven voorbeelden van dit type modellen.

Een trapje hoger kunnen de zogenaamde zonemodellen worden gesitueerd. Deze modellen verdelen een brandruimte in een klein aantal zones (brandhaard, rooklaag, verse lucht, wanden), en berekenen het verloop van de optredende warmte- en massastromen in de tijd door het oplossen van de vergelijkingen die het behoud van massa en energie uitdrukken. De invloed van bijvoorbeeld vuurbelasting, ventilatie en isolatie op de brandontwikkeling kan hiermee worden beoordeeld. Ook kunnen ruimten worden gekoppeld, waardoor de verspreiding van brand en rook door een compleet gebouw kan worden beschreven. Beperkingen van deze modellering liggen onder andere in de grote hoeveelheid empirische relaties die erin moeten worden gestopt. Deze aanpak is bovendien slechts verantwoord als er een duidelijke zone-indeling mogelijk is, iets wat bijvoorbeeld problematisch wordt bij een kleine brand in een grote hal.
Ondanks deze beperkingen vormen de zonemodellen de "top" van wat in de huidige praktijk door adviseurs wordt toegepast. Zowel ontwikkeling van de modellen als hun toepassing vinden vooral plaats in de Verenigde Staten en de Scandinavische landen (voorbeelden : HARVARD, CFAST). In Nederland is dat slechts sporadisch het geval (programma DYSG). Toepassing van deze modellen vereist overigens een zekere expertise op het gebied van brand: er komt altijd wat uit, maar de betrouwbaarheid van de resultaten hangt sterk af van die van de invoer.

Aan de bovenkant van de schaal bevinden zich de zogenaamde veldmodellen. Deze zijn qua opzet en complexiteit te vergelijken met de in par. 1.1 genoemde eindige-elementen modellen voor constructieberekeningen. Doordat universeel geldige basisvergelijkingen uit de natuur- en scheikunde rechtstreeks worden opgelost zijn de modellen aanzienlijk breder toepasbaar dan zonemodellen. Ook geven analyses met veldmodellen meer detail en nauwkeurigheid. De veldmodel-aanpak heeft in andere vakgebieden (meteorologie, ventilatietechniek, waterbouw en veelal aangeduid met CFD of Computational Fluid Dynamics) zijn waarde reeds bewezen. Toepassing op brandproblemen is voor Nederland van recente datum. In het buitenland, met name in Groot-Brittannië, is de ontwikkeling verder gevorderd. Toepassingen zijn met name te vinden in researchomgevingen (universiteiten, overheids- en private researchinstellingen).
Als belangrijkste obstakels voor de toepassing op grotere schaal van veldmodellen bij brandanalyses moeten worden genoemd: de hoge (reken)kosten, en de deskundigheid vereist om de modellen te kunnen hanteren. Hierbij dient te worden aangetekend dat de kosten voor een belangrijk deel zijn terug te voeren op rekentijd. De recente ontwikkelingen van prijs /prestatie van computers hebben al geleid tot een aanzienlijke daling van deze kosten, en het is te verwachten dat deze factor in de nabije toekomst steeds verder wegvalt.

1.3 Afbakening van veldmodel-toepassingen

De zeer complexe verschijnselen die bij brand optreden zijn in een groot aantal gevallen voldoende nauwkeurig te onderzoeken met de eenvoudigere modellen uit de in de vorige paragraaf genoemde reeks. Bovendien zal de hoeveelheid tijd en geld, nodig om een praktijkanalyse met behulp van een veldmodel uit te voeren, vaak niet opwegen tegen de daarmee verkregen winst in nauwkeurigheid en detail. Anderzijds zijn voor sommige andere problemen de modellering of de huidige rekenmogelijkheden (nog) niet toereikend.
In de huidige toepassingspraktijk worden veldmodel-berekeningen dan ook in het algemeen daar gevraagd, waar de belangen voldoende groot worden geacht om de inspanning (tijd en geld) te rechtvaardigen. Dit is bijvoorbeeld het geval geweest bij grote bouwprojecten als tunnels of luchthaventerminals. Ook in de research worden veldmodellen met succes toegepast.

In dit onderzoeksproject wordt een veldmodel ingezet om het toepassingsgebied van de eenvoudigere, sneller tot resultaat leidende vuistregelmodellen af te bakenen. Ook worden berekeningen gemaakt voor gevallen waarvoor geen eenvoudiger modellen bestaan, en waarvoor om die reden in de praktijk op dit moment geen uitspraken (kunnen) worden gedaan.

1.4 Ontwikkelingen bij TNO

Bij TNO wordt sinds 1985 gewerkt aan de ontwikkeling van een veldmodel, primair voor toepassingen op het gebied van ventilatie en binnenklimaat (programma genaamd WISH), maar sinds 1987 ook voor industriële verbranding en brand in gebouwen (programma VESTA).
In 1991 heeft het Centrum voor Brandveiligheid een project "Analytische Modellering van zich Ontwikkelende Branden" afgerond [2] dat met steun van SBR was uitgevoerd. Hierin werden de mogelijkheden en beperkingen van de veldmodel-aanpak voor toepassing op brandproblemen onderzocht. Binnen dat onderzoek is de fysische modellering uitgebreid met warmtestraling, en zijn een aantal validatie-simulaties uitgevoerd op basis van de resultaten van (internationale) experimenten.
Dit project werd afgesloten met als conclusie onder andere dat de veldmodellen -voor geselecteerde onderwerpen- veelbelovend zijn. Aanbevelingen zijn gedaan voor diverse praktijk-deelgebieden waarop het veldmodel rechtstreeks zinvol is toe te passen.
Als vervolg op dit project is in 1991 het project "Effectenstudie niet-volledig ontwikkelde brand" gestart, waarin het veldmodel van TNO-Bouw, VESTA, wordt toegepast om oplossingen te verkrijgen voor een aantal concrete problemen.

1.5 Ontwikkelingen buitenland

De toepassing van veldmodellen (CFD) op brandsituaties is ook in het buitenland de laatste 5 à 10 jaar in een stroomversnelling geraakt. Met name in Europa (Engeland, Frankrijk), maar nu ook in de Verenigde Staten en Japan wordt CFD in feite beschouwd als de enige methode die de complexiteit van de verschijnselen bij brand met enige aanspraak op volledigheid in de toekomst aan zal kunnen. Men realiseert zich daarbij overigens terdege de huidige beperkingen ten aanzien van rekenkracht en modellering.
Een rechtstreekse vergelijking van VESTA met andere veldmodellen is niet eenvoudig te maken op basis van gepubliceerd materiaal. Op het gebied van het brandonderzoek zijn er namelijk niet of nauwelijks standaardproblemen ("benchmarks") voorhanden om de verschillende rekenmodellen aan te toetsen. De gepubliceerde rekenresultaten betreffen dan ook in vrijwel alle bekende literatuur praktijkproblemen die bij nadere beschouwing op te veel punten verschillen van de voor dit onderzoek beschouwde onderwerpen om een zinvolle vergelijking mogelijk te maken.

Inhoudelijke verschillen tussen de beschikbare binnen- en buitenlandse rekenprogramma's zijn overigens veelal niet groot: de gemodelleerde fysica is dezelfde, alleen op details in de "sub"-modelleringen lopen zij nog wel uiteen. Belangrijke verschillen zijn met name te vinden op facetten als flexibiliteit (b.v. ondersteuning van kromlijnige vormen) en de zogenaamde pre- en postprocessing : gebruiksvriendelijkheid van invoer van gegevens en van (grafische) presentatie van de berekeningsresultaten. Deze facetten kunnen belangrijk zijn in een discussie omtrent de praktische bruikbaarheid van de CFD-modellen, maar worden minder relevant geacht voor de inhoudelijke discussie in dit rapport. Kort gezegd: andere rekenprogramma's dan VESTA zouden, losgelaten op de problemen die in dit rapport zijn beschreven, in grote lijnen dezelfde uitkomsten geven.

1.6 Opzet van het onderzoek

Dit onderzoek is bedoeld als effectenstudie naar de verspreiding van rook en warmte in gebouwen met een gevalideerd veldmodel, VESTA, en is als zodanig opgezet. De validatie van VESTA is uitgevoerd in het hierboven genoemde project "Analytische Modellering van zich Ontwikkelende Branden" [2].

Voor een aantal geselecteerde situaties wordt de verspreiding van rook en warmte in gebouwen gekwantificeerd. Zo goed mogelijk worden de bestaande rekenregels beoordeeld en worden de grenzen van toepasbaarheid van de regels aangegeven. Waar mogelijk wordt een aanzet gedaan om tot een uitbreiding van de bestaande regelgeving, of tot een uitbreiding van het toepassingsgebied ervan te komen.

Voor dit onderzoeksproject is een aantal voor de praktijk relevante problemen geselecteerd waarop toepassing van de meer geavanceerde veldmodellen zinvol of zelfs noodzakelijk wordt geacht.

De volgende onderwerpen komen in het vervolg van dit rapport aan de orde:

a. Afbakening van het geldigheidsgebied van bestaande, op zonemodellering gebaseerde, (vuist)-regels op het gebied van rookverspreiding in een winkel-hal-configuratie.
Eén van de belangrijkste problemen met de in de praktijk veel toegepaste eenvoudige rekenregels voor de produktie en verspreiding van rook (SBR 233; ref. [1]) is gelegen in het gebruik ervan buiten het gebied waarin zij geldig zijn. Hierbij speelt mee, dat het geldigheidsgebied niet expliciet bekend is. Aspecten zullen worden onderzocht waarvan de vuistregels nauwelijks of in het geheel geen invloed veronderstellen (aanwezigheid van een balkon, breedte deuropening tussen winkel en hal).

Met VESTA wordt een systematische analyse uitgevoerd van enkele van de belangrijkste onzekerheden. Aangegeven zal worden binnen welke grenzen de vuistregels met gegeven nauwkeurigheid zijn toe te passen. Ook zal worden aangegeven in welke richting de afwijkingen gaan indien deze grenzen worden overschreden, en hoe groot de afwijkingen dan kunnen worden.

b. Ontwikkeling van richtlijnen voor projectering van rookmelders in hoge ruimten
De huidige Nederlandse regels voor de projectering van rookmelders (NEN 2535) zijn slechts geldig voor ruimten tot 12 m hoogte, met rookmelders die vlak onder het plafond worden geplaatst. Daarboven bestaan geen gedetailleerde richtlijnen; VdS en NFPA geven alleen globale aanbevelingen. Met VESTA worden simulaties uitgevoerd waaruit de invloed van de hoogte van de ruimte op de meldtijd is af te leiden voor hoogten tot 20 m.

Een complicerende factor die wordt onderzocht is de invloed van een thermische stratificatie (gelaagdheid) van de lucht in de hoge ruimte, ten tijde van het ontstaan van de brand. Dit omdat de vrees bestaat dat een rookpluim door een dergelijke gelaagdheid gedurende lange tijd kan worden tegengehouden, en dus de brandmelding aanzienlijk kan vertragen.

c. Bepaling van vlamoverslagcondities
In dit onderwerp wordt de invloed onderzocht van de ventilatiecondities, het te verwachten brandvermogen, de vorm en afmetingen van de brandruimte alsmede van de isolatie van de wanden op het bereiken van vlamoverslagcondities in een brandruimte, uitgaande van een brand van beperkte omvang.

Reden voor het opnemen van dit onderdeel is de verwachting -die in de regelgeving op geen enkele wijze is terug te vinden- dat zowel de ventilatiecondities in een ruimte (bijv. het al dan niet actief zijn van een rook- en warmte-afvoerinstallatie) als de wandisolatie van de ruimte zal bepalen of in de ruimte vlamoverslag zal optreden, en zo ja hoe lang na het ontstaan van de brand. Het spreekt vanzelf dat dit uiterst relevante vragen zijn voor het bepalen van de gevolgen van een brand in die ruimte.

Met VESTA worden in dit verband varianten doorgerekend waarmee zicht kan worden verkregen op de mogelijkheden om door een RWA-systeem vlamoverslag te voorkomen. Tevens wordt vastgesteld in hoeverre wandisolatie daarin een bepalende factor is.

d. Thermische belasting van een constructie onder invloed van een brand van beperkte omvang
Bestaande eisen ten aanzien van de brandwerendheid van constructiedelen zijn gebaseerd op standaard-brand, dat wil zeggen volledig ontwikkelde brand in de gehele ruimte. In een grote ruimte (fabriekshal e.d.) is dit lang niet altijd realistisch. Met VESTA kan de 3-dimensionale temperatuurverdeling in de ruimte worden uitgerekend. Daarmee kan worden aangetoond in hoeverre met een lagere brandwerendheid al aan de doelstelling van de oorspronkelijke eis wordt voldaan. In eerste instantie zal de analyse worden toegespitst op staalconstructies, omdat deze qua eisenstelling het meest kritisch zijn.

In het vervolg van dit rapport komen de volgende onderwerpen aan de orde:

  • Hoofdstuk 2 bevat een beschrijving van het rekenmodel VESTA waarmee de berekeningen zijn uitgevoerd.
  • In hoofdstuk 3 en 4 worden de berekeningen besproken die zijn uitgevoerd op problemen verband houdend met het geldigheidsgebied van vuistregels voor rookverspreiding, respectievelijk de projectering van rookmelders.
  • In hoofdstuk 5 wordt het bereiken van vlamoverslagcondities besproken, als functie van de afmetingen van de brandruimte, het vermogen van de brand en de mate van isolatie van de ruimte en de ventilatiecondities.
  • In hoofdstuk 6 komt aan de orde de thermische belasting van constructiedelen in een grotere ruimte.
  • De conclusies en aanbevelingen naar aanleiding van de diverse analyses zijn samengevat in hoofdstuk 7.