Brandveiligheid en CFD: graag de juiste prestatie-eisen vooraf Een voorbeeld a.d.h van de HSL tunnels Tony Lemaire
Inhoud HSL tunnels ● Trace, partijen, eisen/beoordeling brandveiligheid
Rook en warmte-afvoer in HSL tunnels ● Ventilatie-concept ● Beoordelingscriteria
Berekeningen en beoordeling Groene Hart Tunnel Berekeningen en beoordeling Tunnel Rotterdam Noordrand Conclusies
HSL Tunnels Boortunnel Groene Hart (TGH) (~7600 m) Cut & cover tunnel Rotterdam NoordRand (TRN) (~2060 m)
Zinktunnels Dordtsche Kil TDK) Oude Maas (TOM) (~1600 m)
Partijen Brandveiligheid HSL Zuid tunnels RWS
HRC
DHV
Onderzoek & Advies Brandveiligheid tunnels
Proj. Bureau HSL Zuid D&C
7 Aannemers (onderbouw)
DBFM (25 jaar)
Infraspeed (bovenbouw)
TNO CVB / Efectis NL
Concessie (15 jaar)
HSA (vervoerder)
TNO MEP
Bouwvergunning tunnels
Gemeente Brandweer
GGD
TNO / Efectis O & A (1998-2006) Risico-analyses
TNO MEP
Proj. Bureau HSL Zuid
Aannemers (onderbouw)
Brandscenario’s CFD warmte/rook ventilatie (conceptueel)
Brandwerendheid tunnelconstructie
TNO CVB / Efectis NL
Brandwerendheid Vluchtdeuren, brandkleppen
Infraspeed (bovenbouw)
Brandscenario’s CFD warmte/rook ventilatie (detailering)
Brandcompartimentering Blussystemen Warmte/rook ventilatie (conceptueel, locaal)
HSA (vervoerder)
Eisen/beoordeling brandveiligheid Proj .org. HZL Zuid ● Veiligheid hoge prioriteit ● Uitgangspunt: Integraal VeiligheidsPlan (IVP) ● Toetsing: Integrale Safety Case (ISC) door ISA ● ISC = som van Safety Case per partij) ● IVP gebaseerd op probabilistische aanpak ● Eisen (incl. uitgangspunten en beoordelingscriteria) aan contractanten vastgelegd in ‘Safety Concepten” gebaseerd op IVP ● Ventilatie concept is voorgeschreven: Langsventilatie (TGH, TDK, TOM) Natuurlijke ventilatie (TRN)
Brandweer ● Hanteert Bouwbesluit (tunnel = bouwwerk) ● Eis: afstand tussen vluchtdeuren maximaal 60 m ● Andere oplossingen mogelijk, maar moet gelijkwaardig zijn aan bouwbesluit ● Deterministische beoordeling ● Kennisachterstand m.b.t. brandveiligheid tunnels bij aanvang project
GGD ● Eisen m.b.t. blootstelling passagiers aan rookgassen
Eisen, realisatie en beoordeling warmte/rook ventilatie in HSL tunnels
Ventilatie- en vlucht concept Langsventilatie in rijrichting. Stroomopwaarts moet altijd rookvrij blijven; stroomafwaarts zo lang mogelijk; overdruk in nevenbuis Schachten afsluiten bij brand Vluchten via deuren (elke 150 m) naar andere buis
TGH, TDK en TOM schachten
Natuurlijke rookventilatie via schachten. Schachten openen bij brand. Rook moet tussen 2 naastgelegen schachten blijven. Vluchten in zelfde buis uit rookzone (~ 150 m lang)
TRN
schachten
trein
Zelfredzaamheid
Bron: www.hslzuid.nl
Beoordeling ventilatie-concept Gespecificeerd in Safety concept ● Positie (in tunnel, in trein) ● Vermogenskromme en rookproductie (afh. van materiaal) ● Rookeigenschappen: straling, zicht, toxiciteit
Bepaal / kies brandscenario’s :
Andere condities: ● Wind
Specificeer berekeningsmethode: ● Literatuur, experimenten, berekeningen (CFD?)
Bereken warmte en rook verspreiding ● Warmte: temperaturen + straling ● Rookconcentraties: zichtlengte, toxiciteit
Stel beoordelingsmethode/criteria: ● Grenswaarden warmte, rookconc. en verblijftijden of ● Vluchtmodellen incl. dosis-effect relaties => aantal slachtoffers
Beoordeel veiligheid: ● Veilig vluchten passagiers (zelfredzaamheid) (ontruimingsmodel?) ● Benadering brand door brandweer
TNO/Efectis onderzoeken in beginfase Opdrachtgever: HSL Zuid Literatuuronderzoek brandscenario's: vermogenskrommen brandende trein ● Beperkte tijd en geld oriënterend onderzoek ● Resultaat meerdere krommen ● HSL kiest 30 MW kromme -> in eisen naar Infraspeed
CFD: vluchtcondities stroomafwaarts van de trein bij 80 MW brand (dubbel/enkel) en 40 MW met langsventilatie ● Beperkte tijd en geld oriënterend onderzoek ● Geen stratificatie waargenomen ● HSL kiest langsventilatie als concept in TGH en TDK/TOM -> in eisen naar Infraspeed
CFD: vluchtcondities in TRN (vrije convectie) ● Beperkte tijd en geld oriënterend onderzoek ● Invloed wind niet meegenomen ● HSL kiest natuurlijke rookventilatie als concept in TRN -> in eisen naar Infraspeed
Brandscenario’s HSL
Gekozen door HSL
Omgaan met onzekerheden Worst Windcondities
Best possible approach of reality
Excl. 15 min. containment Worst/Medium
Brandvermogen
Medium
Rookproductie
Medium
Rookeigenschappen
Rekenmodel Vluchtklimaat
Medium (worst case Severe acceptable (1 hour exp) emergency level
Grenswaarden Ontruimingstijden Medium
Medium
Brandpositie in trein
Worst
Treinpositie in tunnel
Medium
In Safety C (eis van de Staat) Keuze Infraspeed Verantwoordelijkheid TNO/Efectis + second opinion
Grenswaarden (1) Uitgangspunten: ● Productie roet en toxische gassen = evenredig met brandvermogen ● Zichtlengte = omgekeerd evenredig met optische rookdichtheid OD ● OD = evenredig met roet productie ● Maximale temperatuurstijging = evenredig met brandvermogen
Conclusie: ● Alle grenswaarden (m.u.v. straling) zijn tot ODgrenswaarden te herleiden.
Grenswaarden (2) Grenswaarden incident buis omgerekend naar grenswaarden optische rookdichtheid Variable
Symbol
Required
Required OD (1/m)
Visibility (light-emitting objects)
ZL
> 10m
< 0.25
Temperature
T
< 60 oC
< 0.52
Carbon monoxide
CO
< 575 mg/m3
< 1.80
Hydrogen Chloride
HCL
< 223.5 mg/m3
< 1.20
Hydrogen Cyanide
HCN
< 27.75 mg/m3
< 23.13
Nitrogen Oxide
NOx
< 22.9 mg/m3
< 2.49
Restricted Visibility
ZL & HCL
< 0.21
Respiratory tract irritancy
HCL & NOx
< 0.81
Oxygen provision
T & Resp & CO & HCN
< 0.32
bepalend
TNO/Efectis CFD voor Infraspeed Tunnel
Lengte
Ventilatie
Aanleiding
TDK & TOM
~ 1600 m
Langsventilatie met Open houden schachten; jetfans (stuwdruk) overdruk nevenbuis
TGH
~ 7600 m
Langsventilatie met Open houden jetfans (stuwdruk) schachten;overdruk nevenbuis
TRN
~ 2060 m
Natuurlijke ventilatie via schachten
Invloed wind en zuigereffect treinbeweging
Aanpak berekeningen Gebruik gezonde verstand en beschikbare kennis. (Modellering is kunst van het weg laten) Gebruik informatie van experimenten Combineer modellen: ● 1D ventilatie model ● 2D zone model ● 3D CFD model
CFD Groene Hart Tunnel Tony Lemaire Yvonne Olij-Kenyon Ingrid Naus
Configuratie Scheidingswand
Lengte: 7666m Schachten (7) in dak Stuwdrukventilatoren (15 per buis Air dampers
Vluchtdeuren naar andere buis
Probleemstelling Ventilatieconcept: ● Mechanische langsventilatie ● Voorkomt back-layering in ‘incident buis’ ● Creëert overdruk in naastgelegen buis
Eis van de Staat: ● Sluit schachten bij brand ● Dure (aanschaf en onderhoud) brandkleppen vereist
Vraag: kunnen de schachten open blijven Aanpak: ● Evalueer veiligheidsniveau open schachten vs gesloten schachten: stroomopwaarts en stroomafwaarts ● Gebruik rekenmodellen: ( 1D ventilatie model + CFD - Fluent)
HSL Brandscenario vluchten Gebaseerd op literatuur studie TNO; keuze uit krommen door HSL Brand in 20 m lang voertuig in midden van 400 m lange dubbeldekker trein Brandende trein komt tot stilstand op t = 0 s.
Aanpak (1) Doel
Methode
Valideer CFD model.
CFD simulaties isotherme stroming in schaal model met verschillende rekenroosters, fan condities en turbulentie modellen. Vergelijking met meetwaarden.
Vindt principes fan-schacht interactie. Optimaliseer CFD model.
CFD simulaties isotherme stroming in deel van tunnel buis met een schacht, verschillende fan posities t.o.v. schacht en verschillende rekenroosters
Onderzoek windinvloed en gedrag van open vs. gesloten schachten.
CFD simulaties isotherme stroming in een tunnel buis met/zonder wind en met/zonder trein, bij meest optimale fan posities. Interpretatie van massastromen en drukprofielen.
Aanpak (2) Bepaal kritieke treinposities, incl. zuigereffect van bewegende trein. Onderzoek invloed uitvallen fanclusters
1D simulaties stroming in incident buis voor 7 treinposities Interpretatie van massastromen en drukprofielen.
Optimaliseer rekenrooster in CFD model
CFD simulaties isotherme stroming in deel van tunnel buis met een schacht, en verschillende rekenroosters
Bepaal vluchtklimaat in beide buizen bij definitief ventilatie ontwerp bij meest kritieke condities (m.b.t trein positie, open vluchtdeuren and open air dampers).
CFD simulaties stroming, temperaturen and concentraties voor brand in tunnel met tegenwind and trein op 2 meest kritieke posities met: ● gesloten deuren en air dampers ● open deuren ● open deuren and open air dampers
(Incl. zuigereffect berekend met 1D model ) Beoordeling vluchtcondities.
Aanpak en uitvoering Aanpak: bedacht en gestuurd door Infraspeed (& TAB) in overleg met TNO/Efectis Optimalisering ventilatie posities a.d.h. rekenresultaten uitgevoerd door Infraspeed (&TAB) 1D ventilatie berekeningen en CFD berekeningen uitgevoerd door TNO/Efectis Rapportage uitgevoerd door TNO/Efectis Beoordeling door TNO/Efectis
Geometrisch model en reken rooster Rooster bij schacht
Rooster bij fan
Hele tunnel (2 buizen) Shaft N1
Deel van incident buis bij Noord Portaal
Connection North Ramp and bore tunnel Jet fan
NORTH PORTAL
Train
950 duizend hexahedrale cellen in incident buis 1.7 million hexahedrale cellen in hele tunnel
Voorbeeld berekende massastromen bij aanvang brand wind
Case 11-4
driving direction
shafts
tube
train
Trein bij ingang Noord Tegenwind 10 m/s Uitval 2 fans (brand + mechanische storing)
fire carriage
Voorbeeld berekende optische rookdichtheid
Voorbeeld rookverspreiding in incident buis stroomafwaarts
Grenswaarde ‘worst case emergency” Grenswaarde 1 uur blootstelling
Voorbeeld verontreiniging nevenbuis via open tussendeuren
Conclusies Vluchtomstandigheden voor vluchtende passagiers en brandweer zijn met open schachten gelijk of beter dan met gesloten schachten: ● Stroomopwaarts: altijd veilig klimaat ● Stroomafwaarts: veilig klimaat zolang als redelijkerwijs mogelijk is, d.w.z. tot aan flash-over op t = 240 s, bij vluchttijd van 230 s ● Stratificatie wordt verstoord stroomafwaarts jet fans
Geen kostbare brandkleppen nodig CFD en 1D studie kostbaar en tijdrovend, maar in dit geval lonend
Tunnel Rotterdam Noord Tony Lemaire Leander Noordijk
Configuratie Drukontlasting openingen:
Cut and cover tunnel Dubbele buis Lengte: 2060 m Doorsnede buis: 40 m2 Natuurlijke ventilatie via schachten
● in scheidingswand met air dampers ● In zijwand (slechts 7)
● 15 verticale schachten per buis ● Onderlinge afstand: 150 m ● Brandkleppen gaan open bij brand
Zijaanzicht model
schachten
trein
brand
Probleemstelling Eis voor veilig vluchten Rook moet blijven tussen de 2 schachten aan weerzijden van de brand Voorstudie verwaarloosde: ● Zuigeffect van trein ● Invloed van wind
Bepaal of wordt voldaan aan eis, incl.: ● Zuigeffect van trein ● Invloed van wind
Als niet dan: ● Bepaal of veiligheidsniveau gelijkwaardig is
Eis
Rook mag niet voorbij schacht
Aanpak Validatie van CFD code Fluent voor natuurlijke ventilatie door schachten ● CFD model blijkt conservatief
CFD studie: invloed treinpositie t.o.v. schacht ● Zonder en met (mee- en tegen) wind (10 m/s) ● Incl. zuigereffect (berekend met 1D model)
Bepaal meest kritieke trein posities (6 posities) met 1D ventilatiemodel CFD studie: vluchtklimaat voor kritieke treinposities bij verschillende wind richtingen: ● In totaal 10 cases berekend
Geometrisch model TRN Uitbreiding domein
Openingen in rijtuig met brand 25m 2.7m
20m
0.8m 1.2m
2m
1m
2m
1m
2m
1m
2m
1m
2m
1m
2m
1m
2m
0.8m
Gedetailleerd gemodelleerd tunneldeel
schachten
trein
Zijaanzicht model
brand
Voorbeeld resultaten Optische rookdichtheid langsdoorsnede vluchtpad op verschillende tijden
Rijrichting Geen wind
Resultaten Onveilig vluchtklimaat (onveilige zone): ● Kan optreden stroomafwaarts van de eerste schacht stroomafwaarts van de brand ● Treedt nooit op stroomopwaarts van de eerste schacht stroomopwaarts van de brand
Onveilige zone kan bewegen en uitbreiden/krimpen en een schacht passeren Positie van brand t.o.v schacht is belangrijk Wind condities zijn alleen belangrijk dichtbij de tunnel portalen
Beoordeling gelijkwaardigheid Beoordeling onveilige zone: ● Definitie: < 10 m zichtlengte ● Lengte moet < 154 m ( = tussenafstand schachten) ● Twee cases hebben onveilige zone > 154 m
Extra beoordeling van deze 2 cases: ● Deel van onveilige zone stroomopwaarts van de brand is onbelangrijk, omdat de passagiers die in die richting vluchten niet door het rookfront worden ingehaald. ● Lengte van stroomopwaarts deel onveilige zone < 154 m
Alle cases hebben gelijk of beter veiligheidniveau dan oorspronkelijke eis
Voorbeeld beoordeling met tijdafstand diagram Run9a-3 Outer platform conditions
Downstream zone length
420
fe sa Un
360
ne zo
Time (s)
300 240 180
Last escaping passenger
120
Shaft S8
Fire
Shaft S9
60 0 -150
-100
-50
0
50
100
150
upstream <------ Distance to center of fire (m) ----> downstream
Voorbeeld tijd-afstand diagram waaruit blijkt dat geen enkele passagier die in stroomopwaartse richting vlucht (groene stippellijn) in de onveilige zone loopt.
Conclusies (1) Keuze van safety-concept in beginstadium vaak onder tijdsdruk op beperkte gegevens gebaseerd. Maar wel bepalend voor verder verloop! TNO/Efectis krijgt opdrachten van alle partijen, maar doet niet mee in integraal (besluitvormings)proces. Beoordelende instanties pas in later stadium betrokken, namelijk als ventilatieconcept al vastligt. ● Kennis achterstand project ● Voortschrijdend inzicht algemeen (weer een tunnelbrand)
Prestatie-eisen ondanks inspanning vooraf onvolledig, soms tegenstrijdig soms onduidelijk. ● 15 minuten containment, wel of niet?
Voortschrijdend inzicht?
Conclusies (2) Als achtergronden prestatie-eisen/beoordelingscriteria bekend zijn, kunnen efficiëntere oplossingen makkelijker worden getoetst ● open schachten in TGH, TDK, TOM ● gelijkwaardigheid natuurlijke ventilatie in TRN
Aannemer moet er maar op vertrouwen dat veiligheid concept haalbaar is; wordt van 2 kanten belaagd: ● Opdrachtgever (Staat) ● Vergunningverlener (Gemeenten, brandweer)
Brandweer koopt ook kennis in: ● schakelt derde partij in voor ‘second opinion’ CFDberekeningen’
Verwarring m.b.t. probabilistische vs deterministische aanpak
