22
1 2013 Bouwfysica
www.nvbv.org
Dynamische watermist brandscheiding uitkomst voor architectuur en brandveiligheid bij renovatieproject Het hoofdkantoor van advies en ingenieursbureau Royal HaskoningDHV te Amersfoort, is begin jaren ‘70 gebouwd. Het gebouw met ongeveer 19.200 m2 vloeroppervlak bestaat uit 3 bouwdelen met elk 2 of 3 bouwlagen. In figuur 1 is een foto van het gerenoveerde gebouw weergegeven. De architect D. Zuiderhoek heeft destijds gekozen voor een zeer innovatief kantoorconcept met grote open kantoortuinen welke middels een centrale hal en binnentuin in open verbinding staan met elkaar. In figuur 2 is een foto van de centrale hal weergegeven en zijn de aangrenzende kantoorvloeren zichtbaar.
ir. D.W.L. (Daan) Jansen, Royal HaskoningDHV, Eindhoven
De verdiepingsvloeren hebben een hoekig verloop omdat de structuur is afgeleid van een honingraatstructuur. Op de verdiepingen zijn de werkplekken gelegen en op de begane grond bevinden zich de ondersteunende functies zoals kantine, vergaderruimtes en ondersteunende functies. Het gebouw biedt na bijna 40 jaar nog steeds een zeer prettig werkklimaat. De drie bouwdelen bestaan alle drie uit evenveel zeshoeken van de honingraatstructuur. De verdiepingsvloeren hebben hierdoor allemaal ook dezelfde afmetingen. De vloerconstructie wordt gedragen door paddenstoelkolommen die steeds middenin de zeshoeken staan. In figuur 3 is een plattegrond van het gebouw zichtbaar. Aan de vloerranden is de zeshoekige structuur zichtbaar.
Probleemstelling en ambitie Sinds de jaren ’70 is het gebouw in gebruik. Na de introductie van het Besluit Brandveilig Gebruik Bouwwerken in 2008 is een gebruiksvergunning verleend en voldeden de vluchtwegen en vluchtrouteaanduiding, brandmeld- en ontruimingsalarminstallatie en noodverlichting aan de eisen. Het gebouw voldeed echter niet aan de eisen voor
de maximaal toegestane omvang van de brandcompartimenten zoals minimaal vereist door het Bouwbesluit voor bestaande gebouwen. De karakteristieke centrale hal in combinatie met de open kantoortuinen zorgden ervoor dat vrijwel het gehele gebouw een aaneengesloten ruimte is. Hierdoor was er sprake van een brandcompartiment van ongeveer 12.000 m2. De situatie voldeed wel aan de in 1970 verleende bouwvergunning maar voldeed door de voortschrijdende kennisontwikkeling niet meer aan de hedendaagse eisen die gesteld worden aan gebouwen om de veiligheid te borgen. Doordat het brandcompartiment veel groter is dan de toegestane grenswaarde bestaat er het risico dat bij een calamiteit een brand niet beheerst kan worden. Door de bosrijke omgeving bestond er daarnaast ook gevaar voor de omgeving. Zeker tijdens droge zomerperioden zou dit kunnen leiden tot natuurbranden. Om het gebouw te kunnen blijven gebruiken met acceptabele risico’s moest er gezorgd worden dat een brand in omvang beperkt kan blijven tot een beheersbaar niveau. Voor de renovatie van het gebouw moest het maximaal toegestane uitbreidingsgebied voor een brand daarom beperkt worden tot 2.000 m2, behorende bij het niveau bestaande bouw van het Bouwbesluit. Bij de renovatie was het ook van het grootste belang dat de architectuur en gewaardeerde openheid van het gebouw behouden bleef. Hierdoor moest gezocht worden naar elegante oplossingen om de beheersbaarheid van brand te borgen in het gebouw. De bestaande verdeling van het gebouw in drie bouwdelen sloot opvallend goed aan bij de toegestane omvang van de brandcompartimenten. Alle vloervelden van de bouwdelen A, B en C zijn net iets kleiner dan 2.000 m2.
1 Aanzicht van het hoofdkantoor van Royal HaskoningDHV waarvoor de innovatieve oplossing van de dynamische brandscheiding een duurzame renovatie heeft mogelijk gemaakt
Vertrouwde systemen zoals fysieke brandscheidingen of beweegbare schermen zouden teveel impact hebben in het ontwerp en konden moeilijk in het ontwerp geïnte-
• BRANDVEILIGHEID
Bouwfysica 1 2013
greerd worden als gevolg van de verspringende honingraatstructuur van de vloeren. Een installatietechnische oplossing middels een sprinklerinstallatie was eveneens niet wenselijk. Doordat de constructie in de jaren ‘70 vergaand was geoptimaliseerd had de introductie van een sprinklernet onder de vloeren gevolgen voor de constructie en moest buiten het gebouw een aanzienlijke watervoorziening worden gerealiseerd. In nauw overleg met de brandweer is daarom gezocht naar een oplossing waarbij de beheersbaarheid van brand gegarandeerd kan worden conform de huidige eisen en met behoud van de zeer gewaardeerde karakteristiek van het gebouw.
Doel en ontwerp van de watermistinstallatie Om de omvang van een brand beheersbaar te houden tot een acceptabele omvang is gezocht naar een innovatieve oplossing. De oplossing moet de uitbreiding van brand tussen de verschillende vloeren en bouwdelen die grenzen aan de centrale hal voorkomen. In figuur 4 is de beoogde werking van het watermistsysteem schematisch weergegeven. Middels een dynamische brandscheiding in de vorm van een hogedruk watermistinstallatie, geprojecteerd langs de plafondranden die grenzen aan de centrale hal, wordt nu de uitbreiding van brand via de vide voorkomen en de omvang van brand beperkt. Er is gekozen voor de watermistinstallatie om een aantal redenen: – De installatie doet geen afbreuk aan de architectuur. – Het leidingwerk is relatief eenvoudig te integreren in het gebouw. – De watervoorziening (pomp en wateropslag) past in de beschikbare technische ruimte in de kelder.
2 Centrale hal grenzend aan de open kantoorvloeren
3 Plattegrond van de 1e verdieping
Het doel van de installatie is enkel het voorkomen dat een brand op de verdieping zodanig groot wordt dat deze onbeheersbaar wordt. Het voorkomen van het verspreiden van rook is niet het doel en daarom geen randvoorwaarde voor de testen en de uitvoering. De watermistinstallatie is uitgevoerd als een deluge systeem. Iedere vloerrand langs het atrium is voorzien van een sectie van de dynamische brandscheiding. In het geval van een calamiteit wordt de betreffende sectie afsluiter geopend en wordt middels een pompset de gewenste hoeveelheid water onder een druk van ongeveer 100 bar naar de nozzles getransporteerd. Door de nozzles wordt het water de ruimte ingebracht in de vorm van een grote hoeveelheid kleine druppels waardoor een wolk ontstaat van waternevel in het gebied ter plaatse van de brandscheiding. De dynamische brandscheiding wordt geactiveerd wanneer twee onafhankelijke optische rookmelders op de kantoorvloeren worden aangesproken. Vanuit de brandmeldcentrale wordt de betreffende sectie geopend die de grens vormt van het brandcompartiment waardoor de uitbreiding van brand buiten de verdiepingsvloer wordt voorkomen. De vereiste brandwerendheid van de dynamische brandscheidingen bedraagt 20 minuten conform het Bouwbesluit.
4 Principe werking dynamische brandscheiding De installatie is ontworpen voor een blustijd van minimaal 30 minuten. De aanwezige watercapaciteit is hiervoor uitgelegd op de langste sectie, langs bouwdeel B, met de meeste nozzles (16 stuks) en bedraagt 12 m3. In figuur 5 is een foto weergegeven van de pompset met de watervoorziening en de sectieafsluiters.
23
24
1 2013 Bouwfysica
5a
www.nvbv.org
5b
Foto van (a) de pompset en de watervoorziening en (b) de sectieafsluiters in de technische ruimte Door middel van brandproeven in het kantoor is de werking van de brandmeldinstallatie vastgesteld. Het is uiteraard van het grootste belang dat de juiste sectie wordt geopend om effectief de uitbreiding van brand te voorkomen. Uit de rookproeven die zijn uitgevoerd bleek dat het gekozen ventilatiesysteem bijdraagt aan de correcte bepaling van de plaats van de brandhaard. Het ventilatiesysteem is afgestemd op de honingraatstructuur en zorgt voor aanvoer van lucht aan de randen van de zeshoeken en afvoer van lucht in het centrum van de zeshoek, ter plaatse van de kolommen. Hierdoor kan de rook van een beginnende brand niet verder verspreiden dan maximaal de zeshoek waar de brandhaard zich in bevind. Er wordt daarmee ook verhinderd dat de rook overstroomt naar het atrium en in het meest ongunstige geval zorgt voor activering van rookmelders op de bovenliggende verdieping. Op de scheiding van bouwdeel B en C zijn rookschotten boven het plafond toegepast om te voorkomen dat de verkeerde sectie kan worden geactiveerd. In figuur 6 is de installatie van het leidingwerk langs de vloerrand en de bevestiging van de watermistnozzle weergegeven.
Beproeving van de werking en certificering De waternevel moet ervoor zorgen dat uitbreiding van brand verhinderd wordt. De nevel moet daarom straling absorberen, de lucht die de brandruimte uit stroomt koelen en uitslaande vlammen voorkomen. Bij een effectieve werking kan de gelijkwaardigheid met een bouwkundige scheiding worden aangetoond.
van de testnormen (NEN 6069) waaraan ‘normale’ (fysieke) brandscheidingen moeten voldoen wanneer ze worden beproefd. De volgende grenswaarden zijn gesteld aan de prestatie van de dynamische brandscheiding: – maximaal stijging van de temperatuur ter plaatse van de brandscheiding ≤ 180°C; – maximaal stijging van de gemiddelde temperatuur ter plaatse van de brandscheiding ≤ 140°C; – maximale stralingsintensiteit op 1 m afstand van de brandscheiding ≤ 15 kW/m2; – vlamdoorslag gedurende maximaal 10 seconden. Behalve bovengenoemde eisen, die direct zijn overgenomen uit de testnormen voor brandscheidingen, is optisch beoordeeld of het systeem leidde tot een gelijkmatige verdeling van de waternevel zodat zwakke plekken voorkomen konden worden. Behalve de waarnemingen door de aanwezigen is tevens met een camera de prestatie van het scherm gedurende de proeven vastgelegd. Om te toetsen aan de criteria zijn een groot aantal meetsensoren in de testopstelling geïntegreerd. Zo zijn temperatuursensoren aangebracht langs de vloerrand op 10 en 30 centimeter van de rand om de temperatuur van de uitstromende (hete) lucht en rook langs de plafondrand vast te stellen en te toetsen aan criteria A en B. Voor de beoor-
Testcriteria Omdat de watermistinstallatie nog nergens ter wereld in deze vorm en situatie en met deze specifieke prestaties was toegepast en beproefd, was de prestatie van de waternevel niet bekend. De effectiviteit is dan ook middels real life proeven onderzocht. In het testlaboratorium van Efectis te Rijswijk is een representatieve situatie van het kantoor op ware grootte nagebouwd. Middels metingen is vastgesteld dat de installatie voldoet aan de vooraf vastgestelde testcriteria. Voor de beoordeling van de werking van het systeem zijn aan de testcriteria grenswaarden gesteld die niet overschreden mochten worden. De grenswaarden zijn afgeleid
6 De installatie van het leidingwerk langs de vloerrand en de bevestiging van de nozzle
• BRANDVEILIGHEID
Bouwfysica 1 2013
deling van de stralingsintensiteit (criterium C) zijn op twee posities metingen verricht op 2 verschillende hoogtes op 1 m van de brandscheiding. De stralingssensoren zijn zodanig geplaatst dat ze zo effectief mogelijk worden aangestraald door de brandhaard. Als gevolg van het sproeipatroon van de watermistnozzles kunnen namelijk gebieden ontstaan waar de waternevel meer en minder dicht is en waardoor lokaal hogere waarden gemeten kunnen worden. Aan de hand van diverse proeven is daarom de plaatsing van de sensoren afgestemd op de prestatie van de watermistinstallatie. Middels videoregistratie is daarnaast vastgesteld of er vlammen langs de vloerrand omhoog krullen waardoor vlamdoorslag mogelijk is die niet waarneembaar zijn in de meetgegevens (criterium D). Tevens is de videoregistratie gebruikt om de evenredige verdeling van de watermist te beoordelen.
Maatgevend brandscenario Voor uitvoering van de testen is het te verwachten maatgevende natuurlijk brandscenario vastgesteld. Dit scenario is gebaseerd op de kantoorachtige inrichting met de aanwezige vuurlast en de brandbaarheid van de inrichting. De ontwerpbrand is gebaseerd op de aanwezige vuurlast bij een werkeiland van 6 werkplekken die rond een kolom aanwezig zijn. Door de brandhaard dicht bij de watermistinstallatie te plaatsen is de meest extreme thermische belasting tot stand gebracht die op de watermistinstallatie wordt verwacht. Ook wordt hier een situatie gecreëerd die zoveel mogelijk vergelijkbaar is met de standaard brandkromme. De ontwerpbrand gaat uit van een brand met een vermogensdichtheid van 500 kW/m2. Het vermogen is betrokken op het door meubilair bezette deel van de kantooropstelling. Dit oppervlak bedraagt 28 m2. Het maximaal te verwachten brandvermogen van een kantooreiland is daarmee 14 MW. Na ongeveer 600 seconden wordt dit maximum bereikt. Om het brandscenario te vertalen naar een proefopstelling is door Efectis middels proeven op kleine schaal onderzocht of met behulp van thermische spiegels de opstelling op verantwoorde wijze verkleind kon worden [1]. Door een dubbele thermische spiegel te gebruiken kon met een kwart van de omvang van de brandhaard een representatieve proef worden uitgevoerd. Het vermogen van de brandhaard in de proefopstelling moest daarmee ongeveer 3,5 MW bedragen. Ten behoeve van de warmteabsorptie door de achterwand (thermische spiegels) is de vuurlast van de brandhaard tenslotte nog vergroot. Efectis heeft voor de test een opstelling van vuurlast ontwikkeld die bestaat uit houten kribben. De opstelling is gebaseerd op de referentieopstelling zoals vastgesteld door BRE [2]. Het gesommeerd vermogen van de drie kribben zal daardoor ongeveer 3,2 MW zijn. Doordat de drie kribben elkaar aanstralen zal de proefopstelling zicht sneller kunnen ontwikkelen waardoor het te verwachten vermogen hoger is en overeenkomt met de ontwerpbrand [1]. In figuur 7 is een foto van de testopstelling zichtbaar bij het aansteken van de kribben en met de brandende kribben voor en na de activering van de watermistinstallatie.
7 Foto’s van de testopstelling met de opstelling van het natuurlijk brandscenario bij het aansteken van de brandhaard, voor en na activering van de watermistinstallatie Testresultaten In de opstelling zijn een aantal testen uitgevoerd waarbij de omgevingsomstandigheden constant zijn gehouden en variaties in de watermistinstallatie zijn beproefd. Hierbij is de prestatie van verschillende typen nozzles en verschillende posities van de nozzles onderzocht. In figuur 8a is de grafiek met de meetresultaten van de meest gevoelige temperatuursensoren weergegeven. Duidelijk zichtbaar is bij deze grafiek dat na activering van de watermistinstallatie (3 minuten) de temperaturen van de uitstromende lucht direct naar beneden worden gebracht tot lager dan 80°C, waardoor ruimschoots wordt voldaan aan de toetscriteria A en B. Na 20 minuten is de test beëindigd en is de brandhaard geblust. In figuur 8b is de ontwikkeling van de stralingsintensiteit weergegeven. In de grafiek is zichtbaar dat na activering van de watermistinstallatie de stralingsintensiteit gestaag blijft toenemen. Na ongeveer 8 minuten dalen de meetwaarden weer tot onder de 10 kW/m2. Als gevolg van de waternevel blijft de intensiteit gedurende de test lager dan de maximaal toegestane 15 kW/m2. De metingen hebben hiermee aangetoond dat de waternevel grote invloed heeft op de temperaturen en de stralingsintensiteit. Tijdens de proeven zijn ook geen uitslaande vlammen waargenomen waardoor het systeem voldoet aan de vooraf vastgestelde eisen.
Certificering Op basis van de resultaten van de test met de opstelling zoals deze is geïntegreerd in het gebouw van Royal HaskoningDHV, is geconcludeerd dat het systeem uitbreiding van brand buiten een kantoorvloer effectief bestrijdt. Om de aanpak en de testen te beoordelen is bij het uitvoeren van de proeven een inspectie-instelling betrokken. Op basis van de resultaten is een conformiteitverklaring afgegeven. Deze verklaring dient als onderbouwing van de gelijkwaardigheid van het systeem en de certificering van de installatie zodat de kwaliteit nu en in de toekomst geborgd is.
25
26
1 2013 Bouwfysica
8a
www.nvbv.org
8b
Resultaten van een meting van de temperaturen van de uitstromende gassen langs de vloerrand op de meest kritieke locaties (a) en meting van de stralingsintensiteit aan de niet verhitte zijde (b)
Het resultaat Door toepassing van de hogedruk watermistinstallatie is op zeer innovatieve wijze de duurzame renovatie van een zeer karakteristiek gebouw uit de jaren ‘70 mogelijk gemaakt en de veiligheid op passende wijze geborgd. Middels de uitgevoerde proeven is de toepasbaarheid in onderhavige situatie aangetoond en is de mate van effectiviteit van de waternevel bewezen. Tijdens de proeven zijn meerdere variaties van de installatie onderzocht. Hierdoor is gebleken dat het ontwerp en plaatsing van de nozzles van grote invloed kan zijn op de effectiviteit van het systeem. Belangrijk voor het project is dat het onderzoek zich heeft geconcentreerd op het vaststellen of de prestatie van het systeem in de praktijk uitbreiding van brand buiten de kantoorvloer kan voorkomen. Voor de toepassing van het systeem gelden belangrijke randvoorwaarden. Omdat het systeem is ontworpen voor de specifieke uitdaging waarvoor het ontwerpteam stond bij de renovatie, is brede toepassing van het systeem niet zondermeer mogelijk. De
proefopstelling is zoals gezegd gebaseerd op de inrichting en het gebruik zoals voorzien in het hoofdkantoor. Tevens is de omvang van de opstelling afgestemd op het gebouw en is dit een belangrijke beperking. Omdat het doel van de installatie gelimiteerd is tot deze prestatie, en niet ook verspreiding van bijvoorbeeld rook, kan niet worden vastgesteld dat het systeem een volledige gelijkwaardige oplossing is voor een fysieke brandscheiding. Maar voor deze situatie is kortom bewezen geacht dat het systeem voldoet aan de gestelde criteria waardoor de aangelegde installatie in de praktijk zal voldoen aan hetgeen beoogd was te bereiken met de installatie middels de verwoorde criteria. n
Bronnen [1] Efectis Nederland, rapport: 2011-Efectis-R0140, Tests on the properties of a water mist screen as a fire resistant partition in the DHV main office in Amersfoort, februari 2010 [2] BRE, Research testing with water mist systems for commercial office buildings, 24 March 2010
Vraag redactie: De auteur geeft aan dat het uitgangspunt bij de renovatie van het kantoorgebouw onder andere het handhaven van de open structuur is geweest. Het gebruikt kenmerkt zich door grote open kantoortuinen. Er is derhalve sprake van een significante vuurbelasting en de kans op de ontwikkeling van een grote, post-flashover, brand. Hoe verhoudt deze situatie zich tot de testopstelling waarin een relatief kleine brand getest is en het aangenomen maatgevend natuurlijk brandscenario? Indien sprake is van een groter brandvermogen, hoe zou dat de werking van het watermistscherm beïnvloeden (in andere situaties/gebouwen)?
Antwoord auteur: Voor aanvang van de testen is onderzocht hoe de te verwachten luchtstromen, temperaturen en stralingseffecten ter plaatse van de vloerrand zich ontwikkelen waardoor uitbreiding van brand kan ontstaan. Om tot een opstelling van beperkte afmetingen te komen is onderzocht wat er verandert en of een kleinere, haalbare, opstelling wel leidt tot een goede beoordeling van de kwaliteiten van het scherm. Uit deze studie bleek dat de kleine ruimte met de brandhaard relatief dicht bij het watermistscherm leidt tot de maatgevende thermische belasting op het scherm in termen van stromingen en temperaturen. Hiervoor zijn een aantal proeven in schaalmodellen uitgevoerd door Efectis. Of de testen met de beperkte afmeting uiteindelijk ook echt afdoende is om een volledig ontwikkelde brand in het brandcompartiment te controleren is wat lastiger te beoordelen op basis van deze onderzoeken. Naar het oordeel van het team is de ligging van de brandhaard nabij de watermistinstallatie ongunstig. De testen hebben aangetoond dat de hete uitstromende gassen zeer effectief worden gekoeld en de straling goed wordt afgevangen met de waternevel. Als bij een veel grotere brandhaard meer brandbare gassen vrijkomen moet ook beschouwd worden dat wellicht de ramen in de gevel bezweken zijn. Hierdoor kunnen hete gassen ook vrij naar buiten stromen, zonder de watermistinstallatie te hoeven passeren. Het bezwijken van de gevels leidt ertoe dat de overdruk in de brandruimte en daarmee de stromingen langs de watermistinstallatie afnemen. Dit zou bij een grote brand ook de werking ten goede kunnen komen. Omdat de vereiste brandwerendheid van de brandscheiding in deze situatie ‘slechts’ 20 minuten bedraagt, is het de vraag of een brand zich binnen deze tijd ook zover kan ontwikkelen. Het is echter lastig hier een eensluidend antwoord op te geven. Omwille van de haalbaarheid is gekozen voor een proefopstelling van beperkte afmetingen. Dezelfde overweging is ook altijd van toepassing als testnormen worden vastgesteld waardoor weer enige analogie ontstaat.
