inh o ud s o p g av e
Inhoudsopgave
1 1.1 1.2 1.3
Inleiding Achtergrond Doel Leeswijzer
13 13 13 14
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
Inleiding FSE FSE: Fire Safety Engineering Kennisgebieden en gegevens FSE Relatie tussen FSE en Nederlandse bouwregelgeving Toepassing FSE in Nederland Professionele verantwoordelijkheid
17 17 18 19 21 22
3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12
Algemene begrippen, principes en mechanismen Stof of materie Warmte, bewegingsenergie en temperatuur Fasen of aggregatietoestanden Ideale gassen: druk, temperatuur en dichtheid Energie, verbrandingswarmte en soortelijke warmte Vermogen Vormen van warmteoverdracht Geleiding Convectie Straling Opwarming van een voorwerp Constructiegedrag
27 27 27 28 29 30 31 31 32 33 33 38 40
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10
Basis brandfysica Brand en brandstof Verbranding Vlammen Verbrandingswarmte en vermogen Warmteoverdracht bij brand Ontsteking en ontstaan van brand Brandgroei en brandontwikkeling Versnelde brandgroei Volledig ontwikkelde brand Brandstof- en zuurstofbeheerste brand
45 45 46 48 49 51 52 55 57 59 60
7
8
f ir e s a f e t y en gineer in g
5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
Rook en rookverspreiding Definitie van rook Rookdichtheid Stroming van rook en rookdebiet Drijvende krachten achter rookverspreiding Stroming door openingen Rookpluimmodellen Berekeningen rook- en warmteverspreiding
65 65 66 68 70 73 74 77
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9
Vluchten bij brand Relatie tussen brand en vluchten Invloed van warmte op mensen Invloed van rook op mensen Menselijk gedrag bij brand Loopsnelheid Doorstroomcapaciteit Uitgangkeuze Reactietijd Berekeningen ontruiming
81 81 81 83 88 90 92 93 94 96
7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9
Constructiegedrag Brandwerendheid algemeen Bezwijkgedrag van staalconstructies Bezwijkgedrag van betonconstructies Bezwijkgedrag van houtconstructies Faalgedrag van de scheidende functie algemeen Faalgedrag deuren en puien Faalgedrag beglazing Faalgedrag wanden, vloeren, plafonds en doorvoeringen Rookwerendheid en rookdoorlatendheid
8 8.1 8.2 8.3 8.4
99 99 103 109 113 114 117 119 120 123
Bepalingsmethoden constructiegedrag Bepalingsmethoden voor constructiegedrag Klasseren van constructiegedrag Testmethoden voor dragende constructies algemeen Testmethoden voor geïsoleerde dragende staal-, beton-, en houtconstructies 8.5 Rekenmethoden voor dragende constructies algemeen 8.6 Rekenmethoden voor dragende staal-, beton-, en houtconstructies 8.7 Testmethoden voor scheidende constructies 8.8 Rekenmethoden voor scheidende constructies
139 144 148
9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7
153 153 154 158 161 162 163 166
Materiaalgedrag Materiaalgedrag algemeen Invloed van producteigenschappen op het brandgedrag Invloed van de producttoepassing op het brandgedrag Invloed van het brandscenario op het brandgedrag Brandvertragend behandelen Rookproductie van materialen Brandgedrag inventaris
127 127 129 131 132 135
inh o ud s o p g av e
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
Bepalingsmethoden materiaalgedrag Bepalingsmethoden voor materiaalgedrag algemeen Internationale testmethoden voor materiaalgedrag Nederlandse testmethoden voor materiaalgedrag Europees klasseren van materiaalgedrag Gebruik van klasseringen van materiaalgedrag in FSE
11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
171 171 173 182 186 190
Brandbeveiligingsinstallaties Brandbeveiligingsinstallaties algemeen Installaties voor afvoeren of sturen van rook Installaties om te compartimenteren Installaties voor bestrijden of blussen van brand met water Installaties voor bestrijden of blussen van brand met schuim, gas of poeder 11.6 Interacties tussen installaties
195 195 196 202 205
12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7
Risicobenadering Risicobenadering algemeen Methoden voor risicobenadering Risicoanalyses algemeen Typen risicoanalyses Betrouwbaarheid van risicoanalyses Worst case scenario’s Gebruik van de risicobenadering in de brandveiligheid
219 219 220 221 223 227 228 230
13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8
Modelleren binnen FSE Modellen algemeen Relatie tussen FSE en bepalingsmethoden Brandscenario‘s Brandkrommen Criteria en marges Validatie, verificatie en nauwkeurigheid Gevoeligheidsanalyses Rapportage en second opinion bij gebruik van FSE-modellen
235 235 236 239 244 247 251 253 256
14 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5
Specifieke modellen FSE Zonemodellen CFD-modellen EEM-modellen Ontruimingsmodellen Modellering bijdrage brandweer
261 261 268 277 283 288
210 214
Bijlage: Test uzelf met 75 multiple-choice vragen
295
Eenheden en symbolen Grootheden en coëfficiënten Constanten Omreken- en vermenigvuldigingsfactoren
319 319 320 321
Trefwoordenregister
325
9
m od el l er en b innen f se
235
Modelleren binnen FSE Dit hoofdstuk behandelt achtergronden bij het gebruik van modellen in FSE. Aan bod komen o.a. brandscenario‘s, brandkrommen, criteria en marges, de nauwkeurigheid van modellen, gevoeligheidsanalyses en rapportages bij een FSE-modellering of FSE-oplossing. Dit hoofdstuk geeft ook handvatten voor de beoordeling van modellen en modelleringen.
13.1 Modellen algemeen Kenmerken van een model Een model is een vereenvoudigde representatie van de werkelijkheid. In de brandveiligheid bestaan veel modellen; ze worden gebruikt in berekeningen en testen (bijv. een brandoverslagbepaling of een brandwerendheidstest). Bij berekeningen zijn de modellen ‘verpakt’ in rekensoftware (bijv. voor een ontruimingssimulatie of CFD-berekening, zie hoofdstuk 14) of in de relatief eenvoudige formules voor handberekeningen. Een model verschilt van de werkelijkheid omdat de werkelijkheid te complex is om helemaal in een model weer te geven; er zijn dus vereenvoudigingen gedaan. Modellen verschillen onderling in complexiteit en in de mate waarin ze de werkelijkheid benaderen. Overigens is een grote complexiteit van een model geen garantie voor een goede benadering van de werkelijkheid. Het grote voordeel van modellen, ten opzichte van het werken met ‘echte’ branden, is de mogelijkheid om vrij eenvoudig te variëren in invoergegevens en modellering, waardoor veel situaties relatief snel kunnen worden nagebootst of onderzocht. Daarnaast zijn ‘echte’ branden op grote schaal en in kwetsbare gebouwen vaak niet realiseerbaar.
Aandachtspunten bij het gebruik van modellen Let op de volgende punten bij het werken met modellen: – Het model moet gevalideerd zijn voor een duidelijk aangegeven toepassingsgebied. – Het model moet worden toegepast binnen het toepassingsgebied: een model dat een volledig ontwikkelde brand representeert is bijvoorbeeld niet geschikt voor het bepalen van de vluchtcondities in het beginstadium van een brand. – De modelleur moet, naast het toepassingsgebied, ook bekend zijn met de achtergronden, regels, formules, uitgangspunten en vereenvoudigingen waarop het model is gebaseerd. – De modelleur moet zorgvuldig omgaan met de invoerparameters en invoerwaarden; hij moet onderbouwen waarom hij kiest voor een bepaalde invoer. De uitkomsten zelf en de betrouwbaarheid van de uitkomsten van een model
13
236
f ir e s a f e t y en gineer in g
INVOER VULTIJDBEREKENING Scenario: Brand ruimte 1.1 Time step calc-tijd oppervlakte hal hoogte hal brand in atrium ? niveau brand Tijdconstante brandontwikkeling Ta Maximaal//stationair brandvermogen Verbranding energie brandstof Vermogensdichtheid Qpaeff Rook potentieel Sprinkler aanwezig ? Rookdetectie aanwezig (Y/N) Thermische wandeig. B-factor Max. Convectie aan wanden Natuurlijke RWA CuAu Aantal rookluiken Natuurlijke RWA CiAi Mechanische RWA Hoogte opening aangrenzend comp Breedte opening aangrenzend comp Hoogte upstand Oppervlakte aangrenzend comp Stijghoogte Dy tot balkon Diepte balkon Hoogte aangrenzend compartiment CALCULATE
Eenheid [s] [s] [m2] [m] Y/N [m] [s] [W] [MJ/kg] [W/m2] [100=hout] Y/N Y/N SI [W/m2.K] [m2] [-] [m2] [m3/s] [m] [m] [m] [m2] [m] [m] [m]
Invoer 1 1800 64 6,4 Y 0 300 6,00E+06 19 3,00E+05 100 n n 1500 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
CLEAR
Fig. 13-1 Invoertabel in Excel voor een relatief eenvoudige rookvultijdberekening met een zonemodel
Fig. 13-2 Grafische weergave van een complex CFD-model van een stationshal en perrons (zonder legenda)
hangen sterk af van de invoer die de modelleur heeft gekozen: ‘garbage in = garbage out’. Het is mogelijk om vrijwel elk gewenst antwoord uit een model te krijgen door de invoer te manipuleren. – De modelleur moet voldoende kennis hebben om de juiste uitgangspunten te hanteren en de juiste aannamen te doen als hij de werkelijke situatie vereenvoudigt tot invoer voor het model: ‘De kunst van het modelleren is de kunst van verantwoord weglaten’. Deze uitgangspunten, aannamen en vereenvoudigingen moeten onderbouwd en vastgelegd worden. – De modelleur moet voldoende kennis hebben om de resultaten te kunnen analyseren en eventuele fouten in de invoer of in het model te herkennen en op te sporen. – Door de vele factoren die het brandverloop bepalen en de verschillen in de modellen kunnen grote variaties optreden in de uitkomsten van vergelijkbare sommen met verschillende modellen. Een verschil van 25% is voor een aantal onderwerpen in de brandveiligheid bijvoorbeeld niet veel! – Het is aan te raden om de (deel)resultaten te toetsen aan andere informatie, bijvoorbeeld aan wetenschappelijke gegevens of aan de uitkomsten van een ander model. In hoofdstuk 14 zijn voor een aantal veel toegepaste FSE-modellen extra aandachtspunten gegeven.
13.2 Relatie tussen FSE en bepalingsmethoden Belang van gestandaardiseerde bepalingsmethoden binnen FSE Zoals in hoofdstuk 2 is vermeld, is FSE ‘het toepassen en combineren van wetenschappelijke data, technische principes, regels, deskundigenoordelen en risico-denken om het verloop en de gevolgen van brand in te schatten, te beoordelen en/of te beïnvloeden’. De prestaties van een constructie of materiaal volgens
m od el l er en b innen f se
237
gestandaardiseerde bepalingsmethoden (meestal normen) lijken met FSE misschien weinig te maken te hebben, maar dat is niet zo. Voor een FSE-beoordeling zijn vaak gegevens nodig over constructies en materialen. Die gegevens zijn meestal alleen beschikbaar in de vorm van prestaties gemeten volgens een gestandaardiseerde bepalingsmethode. Een bepalingsmethode is ‘slechts’ een modellering van de werkelijkheid. In de FSE-situatie zijn de omstandigheden meestal anders dan in de bepalingsmethode. Er is bijvoorbeeld een net ander brandscenario (andere opwarming door straling, convectie of geleiding, andere ventilatie) of een net afwijkende constructie of materiaal. Om te bepalen of de beschikbare gegevens toch bruikbaar zijn, moet inzicht bestaan over wat de bepalingsmethode meet en wat de invloed is van het verschil tussen de FSE-situatie en de bepalingsmethode. Het is voor FSE daarom belangrijk inzicht te hebben in de achtergronden en globale inhoud van veel gebruikte gestandaardiseerde bepalingsmethoden. Dit onderwerp is daarom in de hoofdstukken 8 en 10 kort besproken.
Gemeenschappelijke kenmerken van bepalingsmethoden Elke bepalingsmethode kent zijn eigen achtergrond en inhoud, maar veel methoden hebben ook gemeenschappelijke kenmerken, zoals: – Zowel een rekenmethode als een testmethode is een modellering van de werkelijkheid, gebaseerd op meerdere aannamen en vereenvoudigingen. – De prestatie van een constructie of materiaal is afhankelijk van de gebruikte bepalingsmethode en dus van de condities waaronder het gedrag bepaald is en de criteria die daarbij zijn gebruikt. Het lijkt bijvoorbeeld triviaal maar het volgende wordt nog weleens over het hoofd gezien: • Een materiaal dat goed presteert bij een test naar het ontsteekgedrag bij een kleine vlam, kan bij een grotere thermische belasting (bijv. een grotere vlam, of dezelfde vlam in combinatie met extra warmtestraling) een veel ongunstiger ontsteekgedrag vertonen. Daarom betekent het niet kunnen ontsteken van een product met een aansteker bijvoorbeeld niet dat het product onbrandbaar is! • Een constructie die 60 minuten brandwerend is maar daarbij wel bijna 15 kW/m2 straling afgeeft of doorlaat, kan geschikt zijn om branduitbreiding te voorkomen maar ongeschikt zijn om er over een lange afstand langs te vluchten. – Een bepalingsmethode of norm is vaak tot stand gekomen in overleg tussen verschillende (markt)partijen. Het betreft dus een (onderhandelde) afspraak tussen deze partijen over een breed bruikbare vereenvoudiging van de werkelijkheid en is daarmee niet per definitie een goede wetenschappelijke representatie van de werkelijkheid. Dit maakt een genormaliseerde bepalingsmethode daarom niet automatisch ‘meer waar’ dan een niet genormaliseerde FSE-oplossing, zelfs niet exact onder de omstandigheden waarvoor de bepalingsmethode is bedoeld. – De prestatie van een materiaal of constructie volgens een bepalingsmethode geeft niet meer dan een indicatie van het gedrag bij een echte brand (figuur 13-3 en 13-4). Het is bijvoorbeeld een mythe dat de brandwerendheid in minuten (volgens NEN 6069 of EN 13501-2) gelijk is aan de tijd dat een constructie een echte brand overleeft. Een volgens een bepalingsmethode 60 minuten brandwerende deur presteert gemiddeld beter dan een volgens
13
238
f ir e s a f e t y en gineer in g
Fig. 13-3 Verschil tussen bepalingsmethode en werkelijkheid: een volgens de bepalingsmethode onvoldoende rookwerende deur heeft rook van een echte brand goed geweerd (foto brandzijde)
Fig. 13-4 Verschil tussen bepalingsmethode en werkelijkheid: een volgens de bepalingsmethode onvoldoende rookwerende deur heeft rook van een echte brand goed geweerd (foto niet-brandzijde)
dezelfde methode bepaalde 30 minuten brandwerende deur. Deze waarden betekenen echter niet dat in de praktijk de ene deur na (exact) 60 minuten faalt en de ander na 30 minuten. Het is reëler te verwachten dat in de praktijk het falen bij deze brandwerendheden optreedt na respectievelijk ca. 45 - 90 minuten en ca. 15 - 45 minuten, soms zelfs met een nog veel grotere afwijking van de waarde volgens de bepalingsmethode.
Nauwkeurigheid van prestaties volgens testmethoden
Fig. 13-5 Ca. 25% verschil in het resultaat van 2 brandvoortplantingtests op 2 identieke monsters
Resultaten behaald in een testmethode zijn vaak niet meer dan een indicatie van wat gebeurt bij een ‘echte’ brand. Enkele redenen voor het ‘indicatieve’ karakter van testresultaten zijn: – Een echte brand heeft een ander verloop dan een gestandaardiseerd brandverloop, zoals de standaardbrandkromme (figuur 13-15). – In een test is vaak sprake van een redelijk uniforme temperatuurverdeling over, of thermische belasting op, een constructie of materiaal. In werkelijkheid treden vaak grote lokale verschillen op. – De praktijktoepassing kan afwijken van de geteste toepassing: voor de inbouw van een proefstuk voor een test wordt bijvoorbeeld meer tijd genomen dan voor de inbouw op de bouw. Daarnaast gebeurt de inbouw voor een test onder goed gecontroleerde omstandigheden (droog, constante temperatuur). De meeste bepalingsmethoden houden geen rekening met ouderdom of verkeerd gebruik, slechte montage, verkeerde afwerking of de invloed van weersomstandigheden. – Brandproeven hebben een natuurlijke spreiding: zelfs uitgaand van schijnbaar dezelfde begincondities kunnen brandproeven duidelijk verschillende uitkomsten hebben (figuur 13-5 en 13-6). Proeven op beperkte schaal (en met beperkte kosten) worden daarom een aantal malen herhaald. Grote proeven worden daarvoor te duur gevonden en in enkelvoud uitgevoerd, waardoor het resultaat ervan minder betrouwbaar is. Bij een brandwerendheidsproef hoeft bijvoorbeeld slechts 1 maal een bepaald resultaat behaald te worden.
m od el l er en b innen f se
239
Fig. 13-6 Verschillende resultaatgrafieken van 3 SBI-proeven op 3 identieke monsters (paarse lijn: vermogen van de brander, blauwe lijn: uitgemiddeld vermogen van het proefstuk, rode lijn: totaalvermogen van de brander en het proefstuk, groene lijn: totale energie)
Dit betekent dat een brandwerende ruit die in 50% van de gevallen na 5 minuten bezwijkt en in de andere 50% pas na > 60 minuten (een spreiding die bij beglazing wel eens optreedt), na één of enkele tests een ‘aangetoonde’ brandwerendheid van 60 minuten kan bezitten. – Proeven worden meestal uitgevoerd op beperkte schaal. Niet alle aspecten van het gedrag van een product/constructie onder brandcondities op volle schaal komen op de beperkte schaal van een proef tot uiting. Dit geldt met name voor vervormingsgedrag.
13.3 Brandscenario‘s Brandscenario’s in FSE Het brandscenario is in een FSE-model vaak het belangrijkste uitgangspunt. Een brandscenario bestaat uit gegevens over de factoren die van invloed zijn op het brandverloop of door het brandverloop worden veroorzaakt: – Brandscenario’s voor het brandverloop beschrijven meestal de brandstof, de ruimtelijke uitbreiding, de energieproductie en de rookproductie van de brand. – Brandscenario’s voor de gevolgen van het brandverloop beschrijven meestal de thermische blootstelling op een materiaal, constructie of persoon. Brandscenario’s kunnen geheel of gedeeltelijk zijn weergegeven als brandkromme (zie paragraaf 13.4). In deze paragraaf worden vooral de factoren besproken die het brandverloop kunnen beschrijven: – ontwikkelingssnelheid en tijdsconstante – moment van flash-over – vermogensdichtheid, maximale brandomvang en maximaal vermogen – brandduur, vuurbelasting en maximaal vrijkomende energie – rookpotentieel Zie voor aandachtspunten bij selectie van een worst case (brand)scenario paragraaf 12.6.
13
240
f ir e s a f e t y en gineer in g
Ontwikkelingssnelheid en tijdsconstante De ontwikkeling van een brand in de groeifase wordt vaak gemodelleerd door een t2-kromme: een vermogen dat kwadratisch groeit als functie van de tijd (zie ook paragraaf 4.7): – Q = D · t2 , (Q in kW) – Q = (t / tc )2 , (Q in MW) Q = vermogen in kW of MW; t = tijd in s, tc = tijd in s waarin 1 MW bereikt wordt, D = constante in kW/s2 die afhangt van de groeisnelheid volgens tabel 13-1. Groeisnelheid Ultrasnel Snel Medium Langzaam
D [kW/s2] 0,1778 0,0444 0,0111 0,0028
Q [kW] Q = 0,1778 t2 Q = 0,0444 t2 Q = 0,0111 t2 Q = 0,0028 t2
tc [s] 75 150 300 600
Tabel 13-1 De relatie tussen de tijdsconstante tc en de groeisnelheid
REKENVOORBEELD Wat is na 4 min het vermogen van een brand met een tijdsconstante tc van 300 s? o Het vermogen, uitgedrukt in MW, na 4 min wordt als volgt bepaald: Het is een medium-snel groeiende brand (tc = 300 s), dus Q = 0,0111·t2 kW of Q = (t / 300)2 MW Q = 0,0111 x (240)2 = 639 kW of Q = (240 / 300)2 = 0,64 MW Het vermogen na 4 min bedraagt dus 0,64 MW.
In tabel 13-2 is een mogelijke indeling in groeisnelheden gegeven voor verschillende typen gebouwen. Opgemerkt wordt dat de tabel een grove en indicatieve indeling geeft en dat, afhankelijk van de situatie, een snellere of langzamere groei kan optreden. Ter illustratie: een bloemenwinkel volgt wellicht eerder de medium kromme, terwijl een speelgoedwinkel wel de opgegeven snelle kromme volgt. Daarnaast is de t2-kromme slechts een model; een echte brand heeft over het algemeen een veel grilliger verloop, dat alleen bij benadering de kromme volgt (zie figuur 13-7; hierin correspondeert de echte brand het meest met een snelle brand die 3 ½ minuut later start dan de echte brand). Gebouwtype Chemisch bedrijf Hotelkamer Kantoor Museum (schilderijen) Opslag alcohol, gestoffeerde meubels Opslag katoen, polyester, veren matrassen Opslag kunststofschuim, hout Opslag slecht brandbare materialen, kleine hoeveelheden Winkel Woning
Groeisnelheid Ultrasnel Medium Medium Langzaam Ultrasnel Medium Snel Langzaam Snel Medium
tc [s] 75 300 300 600 75 300 150 600 150 300
Tabel 13-2 Indicatieve brandgroeisnelheid voor verschillende gebouwtypen (bron: Valorisatie project Natuurlijk brandconcept, Eindrapport, september 2001)
m od el l er en b innen f se
241
Vermogen t2-kromme en echte brand
Vermogen [MW]
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
1
2
3
4 5 Tijd [min]
6
7
8
9
Ultra snel
Snel
Medium
Langzaam
Meetdata echte brand
Snel, verschoven
Fig. 13-7 Relatie tussen de t2-krommen en een echte brand
Moment van flash-over Het moment van flash-over is een belangrijk onderdeel in een brandscenario, aangezien dit de omslag is tussen een relatief kleine lokale brand en een volledig ontwikkelde brand. Dit moment kan als invoer dienen van een model maar kan ook de uitvoer van een model zijn. In paragraaf 4.8 is reeds aangegeven dat flashover te verwachten is bij een temperatuur van ca. 600 °C en/of een stralingsintensiteit van ca. 20 kW/m2. De meeste modellen binnen FSE hanteren vergelijkbare waarden: 500 à 600 °C en 15 à 20 kW/m2.
Vermogensdichtheid, maximale brandomvang en maximaal vermogen De ontwikkeling van het vermogen in de tijd en het maximale vermogen van de brand kunnen met verschillende parameters worden vastgelegd: – direct, door het vermogen op te geven (in W, kW of MW); – indirect door een combinatie van de vermogensdichtheid (in kW/m2 of MW/ m2) en de brandomvang (in m2); – indirect door de hoeveelheid beschikbare zuurstof. Veel modellen binnen FSE gaan uit van een brand met een ronde omtrek, waarbij de diameter van de cirkel in de tijd toeneemt tot een bepaald maximum (figuur 4-17). Als de vorm van de brandstof bekend is en sterk afwijkt van een cirkel, kan ook een ander vorm gekozen worden, bijvoorbeeld de lang-gerekte vorm van een marktkraam, stelling of een treinwagon. De maximale brandomvang (het brandoppervlak) kan door de modelleur op basis van de volgende punten worden bepaald: – de maximale afmetingen van de brandruimte; – de afmetingen van het gebied met brandstof (dit kan een klein gebied zijn van enkele m2, bijv. een los object zoals een bank maar ook een groot gebied met bijv. opslag van goederen).
13
