No title

Verkenning van simulatiemodellen: Brand- en rookontwikkeling, evacuatie- en interventiemodellering. Versie 442N6001/30-08-06

Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra Postbus 7010 6801 HA Arnhem T 026 355 24 00 F 026 351 50 51 [email protected]

Verkenning van simulatiemodellen

drs. ing. M. Kobes MIFireE dr. ir. N. Rosmuller J.J. Schokker ing. V.M.P. van Vliet

Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra

2


Voorwoord

Er is toenemend gebruik van (brand)simulaties waarneembaar in het vakgebied van de fysieke veiligheid. Zowel weten regelgeving als de toegenomen rekenkracht van computers dragen hieraan bij. Zo vraagt het Bouwbesluit artikel 1.5 van initiatiefnemers/ontwerpers voor situaties die buiten de omlijnde kaders van het Besluit vallen, de gelijkwaardigheid op het gebied van veiligheid aan te tonen. Simulatiestudies vormen dan nogal eens de basis voor de onderbouwing dat bijvoorbeeld brandwerendheid, brandoverslag, rookontwikkeling of vluchtmogelijkheden een voldoende veilige situatie oplevert. Omdat lokale overheden vergunningen verlenen, zullen haar functionarissen in staat moeten zijn dergelijke onderbouwende simulatiestudies te doorgronden. De recente ontwikkelingen en geringe ervaring tot op heden maakt dit veelal tot een lastig vraagstuk. Vandaar dat het Ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties en het Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra een meerjaren onderzoeksprogramma hebben ontwikkeld om meer kennis en inzicht bij de lokale overheden met betrekking tot (brand)simulaties te realiseren. Het gehele onderzoeksprogramma en de meest actuele stand van zaken zijn te vinden op www.nifv.nl onder 'onderzoek'. Natuurlijk start een dergelijk programma met een grondige verkenning van de literatuur. Het resultaat van deze verkenning ligt voor u. De literatuur op de vakgebieden van de brandontwikkeling, brandinterventie (door installaties en brandweer) en evacuatie is verkend en biedt de lezer een overzicht van de basisprincipes en de veel gebruikte modellen en softwarepakketten. Niet alleen het feit dat een dergelijk overzicht in Nederland voor het eerst wordt gepubliceerd stemt tot tevredenheid. Ook de externe review die vooraf is gegaan aan deze definitieve rapportage is vertrouwenwekkend. Naast de relevante kritische opmerkingen roemden de reviewers de overzichtelijkheid en compleetheid van de rapportage. Bij deze wil ik de reviewers dan ook bedanken voor hun bijdrage, te weten - ing. H. Broekhuizen (Brandweer Rotterdam. District Noord, afdeling Preventie), - mw. dr. ir. Daamen (TU Delft, faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, Sectie Transport en Planning), - prof. dr. B. Merci (Universiteit van Gent, faculteit Ingenieurswetenschappen, vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding), - dhr. E. De Smet (Zelfstandig industrieel ingenieur), - ir. J.H. van der Veek (V2BO Advies),


3


-

prof. dr. ir. B. de Vries (TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde, unit Urban Management and design Systems), prof. ir. W. Zeiler (TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde, unit Building Physics and Systems).

Ik wens u als lezer wijsheid toe bij het omgaan met simulatiestudies en hoop dat u de afdeling onderzoek van het Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra weet te vinden wanneer u vragen heeft op dit gebied. Wij zullen doorgaan met het onderzoeksprogramma en hopen u daarmee van dienst te kunnen zijn.

dr. ir. J. Post programmamanager Onderzoek


4


Managementsamenvatting

Aanleiding In maart 2005 heeft het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties het Nibra (per 1 juli 2006: Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra) een subsidie toegekend om meerjaren onderzoek te verrichten naar simulatiemogelijkheden ten behoeve van de brandweer en de rampenbestrijding [BZK, 2005]. Doel De eerste fase in dit meerjaren onderzoekprogramma betreft de analyse van simulatiemodellen op hoofdlijnen. Het doel van deze onderzoeksfase is de stand van zaken te verkennen over de simulatiemogelijkheden op de vakgebieden van: - branden rookontwikkeling - evacuatiemodelering - interventiemodellering. Het gaat hierbij om een literatuurstudie vanuit wetenschappelijk oogpunt, dat een basis moet bieden voor een studie naar de toepassing van simulatiemodellen in de huidige praktijk van bouwplanbeoordeling en handhaving. Deze praktijkstudie zal in een volgende fase van het meerjaren onderzoekprogramma uitgevoerd worden. Afbakening De literatuurverkenning richt zich uitsluitend op simulatiemodellen die toegepast kunnen worden bij de beoordeling van de (gelijkwaardige1) brandveiligheid van gebouwen. Daarbij ligt de focus op de primaire processen van branden rookontwikkeling, evacuatie en blussing. De secundaire invloeden van brand op materialen zijn in deze verkenning niet meegenomen. Onderwerpen als constructieve veiligheid, brandweerstand van constructies, het brandgedrag van materialen vallen dan ook buiten de scope van de verkenning. In een volgende rapportage zullen ook simulatiemodellen voor de verspreiding en effectontwikkeling van gevaarlijke stoffen worden verkend. Onderzoeksaanpak Op basis van de bestudering van wetenschappelijke literatuur is een beeld gevormd van de theoretische stand van zaken op de vier genoemde vakgebieden. Op basis van analyses van websites en internetfora is een beeld gevormd over de praktisch beschikbare simulatiepakketten op de genoemde vakgebieden. Door middel van het bezoeken van (inter)nationale congressen en exposities zijn contacten gelegd met ontwikkelaars, onderzoekers en producenten van simulatiemodellen. De verkenning is op hoofdlijnen uitgevoerd en kan beschouwd worden als een introductie in de state-of-the1

Gelijkwaardig aan de eisen als gesteld in de huidige weten regelgeving.


5


art kennis binnen het vakgebied van brandveiligheid en simulatie. Dit betekent dat er geen diepgaande analyses zijn uitgevoerd naar de werking en betrouwbaarheid van specifieke softwareprogramma's. De nadruk ligt op een algemene weergave van de (internationale) stand van zaken over de simulatiemogelijkheden bij de beoordeling van een gebouwontwerp. De conceptrapportage is door externe reviewers (wetenschappers en deskundigen die met simulaties werken) beoordeeld op onder andere de methode van onderzoek, de inhoudelijke juistheid, de wetenschappelijke onderbouwing, de volledigheid en de mate van actualiteit. Conclusies Verkenning algemeen - State-of-the-art simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties worden hoofdzakelijk ontwikkeld in het buitenland (zoals de VS, Engeland, Zweden). - Het ontwikkelen en onderzoeken van simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties vraagt een specialistische, (wis- en natuurkundig) wetenschappelijke kennis. - Het toepassen van simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties is gecompliceerd doordat de diverse modellen en programma's zeer specifieke kenmerken hebben qua toepassingsgebied, beproeving (validiteit) en gebruiksvriendelijkheid. - Voor het toepassen van simulatiemodellen en de beoordeling van de resultaten is kennis vereist op het gebied van brandontwikkeling, gebouwontwerp en is inzicht nodig in de eigenschappen van simulatiepakketten. - Simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties zijn slechts een middel binnen het conceptueel benaderen van brandveiligheid en kunnen bij gebouwontwerp of evaluaties van branden worden ingezet bij nemen van ontwerptechnische of beleidsmatige beslissingen. - (Simulatie)modellen geven een beperkte weergave van de werkelijkheid, maar verschaffen desondanks inzicht in branden rookontwikkeling en evacuatiemogelijkheden. - De inzichten uit simulatietoepassingen zijn bruikbaar in het ontwerpen van brandveilige gebouwen, maar bedacht moet worden dat de resultaten gepaard gaan met onzekerheden. Hieronder worden de conclusies per vakgebied gepresenteerd Brandmodellering - Brandsimulaties zijn grotendeels geënt op de principes uit stromingsleer. De stromingsleer draait om de behoudswetten voor massa, energie en impuls (momentum). Bij brandsimulatie komt daarbij het behoud van chemische elementen in verband met het omzettingsproces (verbranding).


6


-

-

-

-

Veldmodellen (Computational Fluid Dynamics: CFD) worden gebruikt voor de modellering van complexe brandgerelateerde vraagstukken zoals brandontwikkeling en interacties met bijvoorbeeld evacuatie of blusinzetten. Hierbij wordt de stroming van warmte en rook gesimuleerd. Zonemodellen worden gebruikte voor eenvoudige brandgerelateerde vraagstukken en geven een snelle voorspelling van bijvoorbeeld verbranding en roetvorming. Alhoewel veldmodellen de werkelijkheid beter benaderen dan zonemodellen2, voldoen zonemodellen voor bepaalde vraagstukken. Simulaties met zonemodellen vereisen minder rekenkracht van computers en zijn mede daarom goedkoper dan veldmodellen. Bij brandsimulatie zal in de toekomst het dynamisch gedrag van constructies als functie van, met name de temperatuurontwikkeling, ook gemodelleerd worden. Zo ook de beïnvloeding van de branden rookontwikkeling, maar ook het evacuatieproces, ten gevolge van toevallige factoren respectievelijk de interventie door installaties en/of hulpverleners.

Brandbeveiligingsinstallaties - De reactietijd van de installatie is een belangrijke variabele die gemodelleerd moet worden - Het merendeel van de modellen die gebruikt worden voor het simuleren van de reactietijd en effect van brandbeveiligingsinstallaties is gebaseerd op, de relatief eenvoudige, zonemodellering. - Deze relatief eenvoudige programma's hebben als voordeel dat de rekentijd kort is. Hierdoor worden deze modellen vaak ingezet naast een complexere CFD simulatie. - State-of-the-art CFD software maakt het mogelijk - door de toevoeging van specifieke modellen - de reactietijd en het effect van brandbeveiligingsinstallaties te berekenen. Evacuatie - Bij evacuatiesimulatie is de trend om individuele besluitvorming van evacués mee te modelleren; het model wordt daarmee meer probabilistisch van karakter. - Evacuatie simulatiemodellen kunnen gebaseerd zijn op diverse rekenkundige theorieën waarbij de toepasbaarheid verschilt per situatie (vrije bewegingsruimte, noodsituatie, bezettingsgraden, mensenmassa's). - Microscopische simulatie is state-of-the-art vanwege de rekenschap die gegeven wordt aan (individueel) menselijk gedrag in mensenmassa's. Interventies - Het gedrag van brandweerpersoneel wordt nog niet gemodelleerd ten behoeve van simulaties. - De bestaande simulatiesystemen, die worden toegepast voor de training van hulpverleners in de competenties commandovoering, coördinatie en 2

Bij correct gebruik van het model.


7


communicatie, zijn potentieel geschikt voor het trainen en onderzoeken van het vluchtgedrag. Hierbij is het mogelijk virtuele brandhaarden en/of brandpreventieve voorzieningen, zoals vluchtwegaanduiding en een ontruimingsalarm, in een werkelijke omgeving, zoals een kantoorgebouw zichtbaar en hoorbaar te maken. Integratie van modellen - Er zijn meerdere simulatieomgevingen die diverse simulatiemodellen (brand, rook, vluchten, brandbeveiligingsinstallaties) integreren. - Er zijn meerdere internationale projecten die tot doel hebben brandgerelateerde simulaties verder te ontwikkelen in termen van verfijning, real time toepasbaarheid, inbreng van extra opties. Aanbevelingen -

-

-

-

-

Inventariseer de toepassingen van (geïntegreerde) simulaties in Nederlandse situaties en de beoordeling ervan door vergunningverleners. Ofwel, stel een staalkaart op van de toepassing van simulaties binnen het proces van (bouw)vergunningverlening. Verken de toepassingsmogelijkheden van bestaande simulatiemodellen voor de Nederlandse situatie. Een mogelijkheid voor de uitvoering is om informatie over validatie en verificatie van de specifieke software te inventariseren en te analyseren. Deze informatie (veelal gericht op buitenlandse situaties) moet beoordeeld worden op de toepasbaarheid op de Nederlandse situatie. De verkenning van de toepassingsmogelijkheden van bestaande simulatiemodellen voor de Nederlandse situatie moet leiden tot een overzicht van de sterkte- en zwaktepunten van de programma's en de kritische factoren bij het gebruik van de programmatuur voor bouwplanbeoordeling. Stel vanuit de overheid een (proces)protocol op voor de toepassing van simulatie in het proces van vergunningverlening. Stel vanuit de overheid de competenties van een 'geaccepteerde simulatiegebruiker' en een 'geaccepteerde simulatietoetser' vast en ontwikkel een systeem waarmee de state-of-the-art deskundigheid van gebruikers en toetsers beoordeeld kan worden. Stel vanuit de overheid voorwaarden op voor een acceptabel gebruik van simulatie in het proces van vergunningverlening. Hiervoor is het nodig dat state-of-the-art informatie over invoerwaarden, uitgangspunten en brandscenario's verkend, beoordeeld en vastgelegd moet worden. Vergroot de (simulatie)basiskennis bij gebruikers en beoordelaars met betrekking tot onderwerpen als evacuatie, menselijk gedrag, branden rookontwikkeling in relatie tot gebouwontwerpen. Dit betekent dat opleidingen en/of cursussen ontwikkeld moeten worden waarin met name wordt ingegaan op: • de wetenschappelijke kennis over de genoemde onderwerpen • de achtergronden van de wetgeving


8


•

-

-

de benadering van brandbeveiliging vanuit het denken in brandbeveiligingsconcepten3. Verken de methodes die beschikbaar zijn voor risicobeoordeling van een gebouwontwerp. Ontwikkel de deskundigheid bij betrokkenen in het toepassen en beoordelen van simulatiemodellen en om de resultaten zinvol te kunnen interpreteren. Dit kan uitgevoerd worden door (een selecte groep van) betrokkenen middels 'hands-on' validatiekennis te laten maken met de (on)mogelijkheden van de verschillende simulatiepakketten die in Nederland worden toegepast. Een methode van validatie is benchmarking: verschillende pakketten worden toegepast op hetzelfde vraagstuk (praktische situatie), waarna de verschillende resultaten beoordeeld en met elkaar vergeleken worden. Verken de mogelijkheden van Virtual Reality voor het uitvoeren van experimenteel onderzoek naar het vluchtgedrag in relatie tot een gebouwontwerp.

3 Dit gaat overigens verder dan alleen de toepassing van simulaties, engaat over fire safety engineering. Deze kennis (en expertise) is daarentegen essentieel om te kunnen werken met simulaties. Kennis van fire safety engineering is van cruciaal belang voor zowel ontwerpers/adviseurs als voor toetsers/handhavers die in aanraking komen met simulaties.


9


Inhoud Voorwoord

3

Managementsamenvatting

5

1 Introductie 1.1 Inleiding 1.2 Onderzoeksaanpak 1.3 Leeswijzer

11 11 12 13

2 Basisprincipes brandveilig ontwerp 2.1 Wetenschappelijke benadering van brandveiligheid 2.2 Brand 2.3 Reacties op brand

14 14 16 18

3 Beginselen van simulatie 3.1 Toepassingsgebied 3.2 Simuleren en modelleren 3.3 Problematiek van simulatie 3.4 Rekenmethodes 3.5 Invoergegevens 3.6 Scenario 3.7 Outputgegevens 3.8 Validatie en verificatie 3.9 Gebruik van simulaties

27 27 30 32 34 35 38 39 40 42

4. Simulatiesoftware 4.1 Brand- en rookontwikkeling 4.2 Evacuatie 4.3 Interventie 4.4 Integratie van simulatiemodellen

46 46 51 59 66

5. Conclusies en aanbevelingen

69

6. Referenties

73

BIJLAGE 1: International FORUM on Fire Research

79


10


1 Introductie 1.1

Inleiding

In maart 2005 heeft het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties het Nibra (per 1 juli 2006: Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra) een subsidie toegekend om meerjaren onderzoek te verrichten naar simulatiemogelijkheden ten behoeve van de brandweer en de rampenbestrijding [BZK, 2005]. Aan de basis voor deze subsidie ligt het onderzoeksprogramma zoals door het Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra is opgesteld [Nibra, 2005a]: Het meerjaren onderzoeksprogramma Simulatie richt zich op de verhoging van het kennisniveau en inzicht van het brandweerveld in Nederland op het gebied van (brand)simulatie. De eerste fase in dit meerjaren onderzoekprogramma betreft de analyse van simulatiemodellen. Het doel van deze onderzoeksfase is de stand van zaken te verkennen omtrent de simulatiemogelijkheden op de vakgebieden van brandontwikkeling, brandbeveiligingsinstallaties, evacuatie en brandweerinterventies. Het gaat hierbij om een literatuurstudie vanuit wetenschappelijk oogpunt, dat een basis moet bieden voor een studie naar de toepassing van simulatiemodellen in de huidige praktijk van bouwplanbeoordeling en handhaving. De praktijkstudie zal in een volgende fase van het meerjaren onderzoekprogramma uitgevoerd worden. De literatuurverkenning richt zich uitsluitend op simulatiemodellen die toegepast kunnen worden voor de beoordeling van de (gelijkwaardige4) brandveiligheid van gebouwen. Daarbij ligt de focus op de primaire processen van branden rookontwikkeling, evacuatie en blussing. De secundaire invloeden van brand op materialen, die in een gebouw zijn toegepast, zijn in deze verkenning niet meegenomen. Onderwerpen als constructieve veiligheid, brandweerstand van constructies en brandgedrag van materialen vallen dan ook buiten de verkenning. Deze verkenning zal met name ingaan op de simulatiemodellen die gerelateerd zijn aan een gebouwontwerp vanwege de aanleiding van het meerjaren onderzoeksprogramma, te weten de steeds vaker ingebrachte simulatiestudies bij ontwerpprocessen en de noodzakelijke kennis die hiervoor aanwezig moet zijn.

4

Gelijkwaardig aan de eisen als gesteld in de huidige weten regelgeving.


11


In -

de verkenning is een opdeling gemaakt in drie sporen, te weten: brandsimulatie evacuatiesimulatie interventiesimulatie (installaties en brandweer).

Brandsimulatie is de simulatie van de branden rookontwikkeling in een vooraf bepaald gebied. Evacuatiesimulatie is de voorspelling van de benodigde ontruimingstijd van de aanwezigen in een vooraf bepaald gebied. De interventiesimulatie kan verder onderverdeeld worden in interventie door een hulpverleningsdienst en interventie door een (automatische) brandbeveiligingsinstallatie. Interventiesimulatie richt zich op het effect van interventies van hulpverleningsorganisaties op branden rookontwikkeling (brandweer) en op de benodigde ontruimingstijd (installaties). Bij brandweerinterventies kan gedacht worden aan ondersteuning van het evacuatieproces, redding, blussing, koeling en repressieve ventilatietechnieken. Bij simulatie van brandbeveiligingsinstallaties gaat het om het effect van bijvoorbeeld rook- en warmteafvoerinstallaties (RWA) en sprinklers op de branden rookontwikkeling in een vooraf bepaald gebied.

1.2

Onderzoeksaanpak

Bij deze verkenning naar simulatiemodellen is een onderscheid gemaakt in simulatiemodellen die betrekking hebben op brandontwikkeling, brandbeveiligingsinstallaties, evacuatie en interventies door hulpverleningsdiensten. Binnen de vier deelgebieden is (wetenschappelijke) literatuur verzameld en bestudeerd. Verder zijn websites van verschillende softwareproducenten en fora bekeken. Met betrekking tot evacuatie is verder aan het derde internationale Pedestrian and Evacuation Dynamics (PED2005) congres deelgenomen (september 2005). In oktober 2005 is deelgenomen aan de jaarlijkse bijeenkomst van de Society for Fire Protection Engineers (SFPE) waar vooral Amerikaanse wetenschappers hun vordering laten zien op het gebied van de simulatie van sprinklers, detectiesystemen en andere brandbeveiligingsinstallaties. In november 2005 is de grootste simulatiebeurs van de wereld (ITSEC) bezocht waar toepassing op allerlei gebied, waaronder de rampenbestrijding zijn getoond. De waarde van het bijwonen van dergelijke (inter)nationale bijeenkomsten is dat de belangrijkste onderzoekers en adviseurs op genoemde vakgebieden bijeenkomen en hun kennis uitwisselen. Met name de contacten zijn in de toekomst van belang voor het bijhouden van de stand van zaken op genoemde vakgebieden. Bij de bestudering van de literatuur en de websites zijn de volgende onderzoeksvragen leidend geweest: Welke fundamentele principes zijn binnen het vakgebied te onderkennen, en waaruit bestaan deze principes? Welke methoden/wijzen van modelleren bestaan er en hoe werken deze? Welke wijze/methode is de state-of-the-art?


12


Welke software pakketten/programma's bestaan er voor de state-of-the-art methode? De resultaten uit de literatuurstudie, de bestudering van verschillende websites en de bevindingen naar aanleiding van congresbezoeken zijn hierna weergegeven.

1.3

Leeswijzer

Voorliggend document is met name gebaseerd op literatuurstudie, en is daarmee theoretisch van aard. Delen van deze rapportage zijn voor verschillende doegroepen meer/minder interessant: Wetenschappers en onderzoekers zullen met name de hoofdstukken 3 en 4 voor hun werkzaamheden kunnen gebruiken (Brand)preventisten/abtenaren bouwen woningtoezicht kunnen met name de hoofdstukken 2 en 4 gebruiken voor hun werkzaamheden Voor een ieder zijn de coclusies en aanbevelingen in hoofdstuk 5 interessant In hoofdstuk 2 zijn de fundamentele principes van brandveiligheid opgenomen. In hoofdstuk 3 wordt in algemene termen beschreven wat simuleren is, hoe simulaties worden gerealiseerd en worden toegepast Verder wordt ingegaan op de aandachtspunten die van toepassing zijn op het gebruik van simulatiemodellen. In hoofdstuk 4 wordt de stand van zaken weergegeven omtrent de simulatie van brandontwikkeling, brandbeveiligingsinstallaties, evacuatie en interventies. In hoofdstuk 5 zijn tenslotte de voornaamste conclusies en aanbevelingen geformuleerd.


13


2 Basisprincipes brandveilig ontwerp

Wanneer eenmaal een gebouw is gerealiseerd zal de veiligheid van de erin aanwezige mens grotendeels worden bepaald door de ontwikkeling van de brand, de vluchtmogelijkheden (evacuatie) en het ingrijpen door de brandweer (interventie). De wetenschappelijke kennis van chemische en fysische aspecten van brand en de aspecten van het menselijke gedrag bij brand vormen de basis voor de simulatie van brandontwikkeling, evacuatie en interventie. In dit hoofdstuk volgt een uiteenzetting van fundamentele principes voor simulatie op de genoemde gebieden. In paragraaf 2.1 wordt de grondbeginselen van brandveiligheid gepresenteerd. Deze grondbeginselen zijn van belang om het brandgedrag te begrijpen (paragraaf 2.2). Vervolgens worden in de paragrafen 2.3 tot en met 2.5 mogelijke reacties op brand nader uitgewerkt, te weten ventilatie, blussing respectievelijk evacuatie.

2.1

Wetenschappelijke benadering van brandveiligheid

De wetenschappelijke benadering van brandveiligheid wordt aangeduid met ‘Fire Safety Science’. Brandveiligheid is de mate waarin personen bij brand zelfstandig of met behulp van andere aanwezigen - op veilige wijze een gebouw kunnen verlaten of op een veilige plaats kunnen wachten en op veilige wijze door de brandweer kunnen worden gered5. De brandveiligheid van een gebouw wordt bepaald door de benodigde vluchttijd (Required Safe Egress Time, RSET) en de beschikbare vluchttijd (Available Safe Egress Time, ASET). De RSET is de tijd die nodig is voor evacuatie en/of voor redding. De ASET is de tijd die verstrijkt voordat de ontwikkeling van rook en hitte zodanig groot is dat deze levensbedreigend is. Wanneer de ASET groter is dan de RSET dan is sprake van brandveiligheid. Zowel de ASET als de RSET worden beïnvloed door het gebouwontwerp. Met het begrip gebouwontwerp wordt verwezen naar de fysieke vormgeving van een gebouw. De bovengenoemde aspecten die de brandveiligheid van een gebouwontwerp bepalen, zijn in figuur 2.1 schematisch weergegeven.

5 Deze definitie is ontleend aan de uitgangspunten van het Bouwbesluit en de Bouwverordening. Deze uitgangspunten zijn dat brand met de inzet van één tankautospuit kan worden beheerst en dat mensen zelfstandig uit een onveilig gebied kunnen vluchten.


14


brandbeveiligings -installaties

evacuatiegedrag

benodigde vluchttijd (RSET)

gebouwontwerp

repressieve interventies

brandgedrag

beschikbare vluchttijd (ASET)

brandveiligheid

Figuur 2.1 – De aspecten die de brandveiligheid van een gebouwontwerp bepalen Het gebouwontwerp heeft invloed op de branden rookontwikkeling (brandgedrag). Ook bepaalt het gebouwontwerp of is voorzien in de voorwaarden voor een adequate evacuatie (evacuatiegedrag). Verder is het gebouwontwerp van invloed op het al of niet succesvol zijn van een interventie door bijvoorbeeld sprinklers (brandbeveiligingsinstallaties) en een brandweerinzet (repressieve interventies). De interventies door brandbeveiligingsinstallaties en/of een repressieve inzet hebben bovendien een directe invloed op het evacuatiegedrag en de branden rookontwikkeling. Bij de brandveiligheid van een gebouwontwerp is onder andere de materialisatie, de ruimtelijke indeling en de toepassing van installaties van belang. Zo heeft het gebruik van niet of nauwelijks brandbaar en rookproducerend materiaal een positieve invloed op de veiligheid, aangezien de branden rookontwikkeling wordt beperkt. De hoogte van een ruimte bepaalt onder andere hoe lang het duurt voordat de rook bedreigend wordt voor de aanwezige personen. Hoe hoger de ruimte, des te meer tijd er is alvorens de bedreigende rook de aanwezigen bereikt. De aanwezigheid en uitvoering van brandmeld- en ontruimingsalarminstallaties bepaalt (onder andere) hoe snel een brand wordt ontdekt. De complexiteit van het gebouwontwerp bepaalt of en hoe snel mensen een weg naar een veilige plaats kunnen vinden. De evacuatietijd is de tijd die nodig is voor het ontdekken van de brand, de besluitvorming en voor de verplaatsing naar een veilige plaats. Verder kunnen in het gebouwontwerp beschermende maatregelen worden genomen die een vroege (automatische) blussing en een veilige redding van niet-zelfredzame personen mogelijk maken. Daarmee heeft het gebouwontwerp ook invloed op blussing en redding. De reddingstijd is de tijd die verstrijkt tussen de aankomst van de brandweer en de verplaatsing van


15


de niet-zelfredzame naar een veilige plaats. Blussing, bijvoorbeeld door de brandweer of door een installatie in een gebouw, is een brandbestrijdingsinterventie waarmee de brandontwikkeling en de rookontwikkeling eerst wordt beperkt en vervolgens wordt gestopt. Blussing beperkt of stopt de brandontwikkeling en heeft daarmee een positieve invloed op de brandveiligheid. De aanwezigheid van voorzieningen zoals bijvoorbeeld een brandweerlift en een rook- en warmte afvoerinstallatie maakt een snelle en veilige redding mogelijk. Het verbeteren van de mogelijkheden tot het redden van niet-zelfredzamen bevordert de brandveiligheid. Zoals uit bovenbeschreven voorbeeld blijkt bestaan er relaties de 4 aspecten van een brandveilig gebouw. Zo kan bijvoorbeeld een goed werkende brandbeveiligingsinstallatie het mogelijk maken dat de opkomsttijd van de brandweer wat langer kan zijn. Het gaat erom de 4 aspecten van brandveiligheid in elkaars verband te zien en te analyseren. Dat laatste is wat de essentie is van Fire safety science. De fundamentele principes van Fire Safety Science zijn verwerkt in simulatiemodellen, die als instrumenten voor de beoordeling van de brandveiligheid van een gebouwontwerp gebruikt kunnen worden. De ASET kan bijvoorbeeld voorspeld worden met behulp van een brand- / rookontwikkelingsmodel en een brand-/rookverspreidingsmodel. De RSET kan voorspeld worden met behulp van een evacuatiemodel [Schneider & Könnecke, 2005].

2.2

Brand

Voor het ontstaan van brand zijn drie factoren bepalend, te weten: [Nibra, 2005b] - de aanwezigheid van brandbare stoffen (vuurlast) - de aanwezigheid van voldoende zuurstof - voldoende hoge temperatuur. Om een brand in stand te houden zijn nog twee andere factoren noodzakelijk, te weten: [Nibra, 2005b] zie boven: - de aanwezigheid van een optimale mengverhouding van zuurstof en brandbare stoffen; - de aanwezigheid van een katalysator. Bij een voldoende hoge temperatuur komen gassen vrij uit het brandbare materiaal (pyrolyse). Deze hete gassen mengen zich met de in de omgevingslucht aanwezige zuurstof. Bij de aanwezigheid van een ontstekingsbron, zoals een vonk, zal het gasmengsel gaan branden als de (omgevings)temperatuur de ontbrandingstemperatuur van het brandbare materiaal heeft bereikt. Wanneer de zelfontbrandingstemperatuur van het brandbare materiaal is bereikt is geen ontstekingsbron nodig, maar zal het materiaal ‘spontaan’ gaan branden. Elk type materiaal heeft een soortelijke (zelf)ontbrandingstemperatuur. De hoogte van deze temperatuur geeft een indicatie van de hoeveelheid energie die toegevoegd moet worden om het


16


materiaal te ontbranden. Een katalysator stimuleert de verbrandingsreactie tussen de brandstof en de zuurstof waardoor het brandbare materiaal bij een lagere temperatuur dan de (zelf)ontbrandingstemperatuur kan ontbranden. Een katalysator verbrandt zelf niet, waardoor de eenmaal ontstane brand – bij een juiste mengverhouding - in stand gehouden kan worden. In een ruimte waar vlammen aanwezig zijn, is de stralingsintensiteit van de brand het grootst. De temperatuur vlak onder het plafond van een afgesloten ruimte kan in de eerste minuten na het ontstaan van vlammen stijgen tot 1000-1200˚C. Door deze hittestraling gaan ook andere materialen in de ruimte uitgassen (pyrolyse). Verder komen verbrandingsproducten vrij, zoals koolmonoxide (CO) en roet (onverbrande koolstofdeeltjes), zichtbaar als rook. De (warme) rook verplaatst zich naar boven en bij een voortdurende rookontwikkeling zal de rooklaag onder het plafond in volume toenemen en kan een afgesloten ruimte, zoals een kantoorruimte, binnen enkele minuten volledig vullen met rook. Wanneer de temperatuur in de rooklaag boven in de ruimte voldoende hoog is, en indien voldoende zuurstof aanwezig is, kunnen de roetdeeltjes ontsteken, ofwel kan een flashover ontstaan. Een flashover vindt plaats bij een temperatuur van ongeveer 600˚C op plafondhoogte. De exacte temperatuur waarbij een flashover plaatsvindt, hangt af van de specifieke samenstelling van het gas-luchtmengsel en is bij iedere brand anders. Op het moment van een flashover zullen bijna alle brandbare materialen in de ruimte bij de brand betrokken zijn en is sprake van een volledig ontwikkelde brand. Verder neemt de temperatuur in de ruimte zeer snel toe, waardoor de eventueel nog in de ruimte aanwezige levende personen de brand niet zullen overleven6. Wanneer het grootste deel van de zuurstof in de ruimte bij de brand is betrokken, stopt het verbrandingsproces en daalt de temperatuur in de ruimte. Het vlammenfront wordt kleiner en de brand gaat over in de smeulfase. De ontwikkeling van brand is in figuur 2.2 gevisualiseerd. In figuur 2.2 zijn twee brandcurves te zien: de doorgetrokken lijn toont het natuurlijk brandverloop zonder interventies. De onderbroken lijn geeft de brandontwikkeling waarbij vroegtijdige blussing plaatsvindt, bijvoorbeeld door een sprinklerinstallatie. Verder zijn drie brandstadia onderscheiden, te weten de ontwikkelingsperiode, de brandperiode en de doofperiode. Deze drie brandstadia zijn evenals het onderscheid tussen een niet-volledig ontwikkelde brand en een volledig ontwikkelde brand, alleen van toepassing op het natuurlijke brandverloop.

6 Dood bij brand wordt doorgaans veroorzaakt door inhalatie van rook en giftige gassen [Gann, 2004], waardoor de in de ruimte aanwezige personen veelal al voor het moment van flashover zijn gestikt.


17


Temperatuur

° C (ter plaatse van de brand) niet volledig ontwikkelde brand ontwikkelingsperiode

volledig ontwikkelde brand brandperiode

doofperiode

1000-1200

natuurlijk brandverloop flashover ±300

ontsteking

effect van vroegtijdige blussing

Tijd[min.]

Figuur 2.2 – Tijd / temperatuur diagram natuurlijk brandverloop en sprinkler gecontroleerd brandverloop

Een volledig ontwikkelde brand ontstaat als brandpreventieve maatregelen falen of niet aanwezig zijn en bovendien voldoende vuurlast en zuurstof aanwezig zijn. Als de zuurstoftoevoer groter is dan de benodigde gaszuurstofverhouding dan wordt de verbrandingssnelheid bepaald door de vuurlast, ofwel is er sprake van een brandstofbeheerste brand. Wanneer een brand in een ruimte onvoldoende zuurstoftoevoer heeft dan kan er een mengsel van onvolledig verbrande gassen ontstaan. Er is dan sprake van een ventilatiebeheerste brand [Delichatsios et al., 2004].

2.3

Reacties op brand

Er zijn diverse reacties op een brand mogelijk. De brandweer of installaties kunnen zorgdragen voor ventilatie (2.3.1) of gaan blussen (2.3.2). Personen die door de brand bedreigd worden kunnen vluchten (2.3.3). Ventilatie Ventilatie kan met behulp van brandbeveiligingsinstallaties en/of met behulp van repressieve interventies gerealiseerd worden. Uit temperatuurmetingen in een flashover-container7 blijkt welke invloed de toevoer en beperking van zuurstof heeft op het brandgedrag. In tabel 2.1 zijn de resultaten van drie opeenvolgende testen weergegeven waarbij de luchttoevoer wordt gevarieerd. 7 De flashover-container is een oefenruimte waarin een flashover op gecontroleerde wijze kan worden gerealiseerd en waarin repressief brandweerpersoneel kan trainen op blustechnieken om flashovers te voorkomen.


18


In test 1 is sprake van een gesloten deur met diverse begin temperaturen, in test 2 is deze deur open en in test 3 weer gesloten.

Test

Stand deur

1

Gesloten Gesloten Gesloten Open Gesloten

2 3

Temperatuurdaling/-stijging Temp. voor Temp. de test na 20 sec Verschil

Positie

Hoogte

800˚C 800˚C 600˚C 400˚C 800˚C

Plafond Grond Grond Grond Grond

1,5 0,9 1,5 1,5

600˚C 400˚C 300˚C 800˚C 450˚C

- 200˚C - 400˚C - 300˚C + 400˚C - 350˚C

Meetpunt

Tabel 2.1 – Testresultaten van test met flashover-container [Grimwood & Desmet, 2002] Eerst is de temperatuur gemeten in een situatie met zuurstoftoevoer. Op plafondniveau en op 1,5 meter hoogte vanaf de grond is een temperatuur gemeten van 800˚C. Op 0,9 meter hoogte vanaf de grond is de temperatuur lager, te weten 600˚C (zie eerste rij van de tabel). Vervolgens is de zuurstoftoevoer afgesloten door het sluiten van de deur, dit is test 1. Na 20 seconden blijkt de temperatuur op 1,5 meter en 0,9 meter hoogte te zijn gehalveerd (zie tweede en derde rij). De temperatuur vlak onder het plafond is 200˚C lager dan voor de deur werd gesloten. In de twee daaropvolgende testen is de temperatuur alleen op 1,5 meter hoogte gemeten. Bij de tweede test is de deur van de flashover-containter in geopende stand gezet. Na 20 seconden blijkt de temperatuur (in graden Celsius) twee keer hoger te zijn dan voordat de deur werd geopend (zie vierde rij). Bovendien daalde de stralingshitte in de tweede test snel tot onder de kritische waarde van 20 kW/m2, waardoor de kans op een flashover vergroot. Uit de tabel blijkt dat wanneer de deur van de brandruimte open staat, de verbrandingsnelheid twee maal groter is dan in een volledig afgesloten ruimte. Verder is gebleken dat wanneer er plotseling zuurstof de ruimte binnenkomt, zoals bij het openen van een deur, er een backdraft kan optreden [Grimwood & Desmet, 2002]. Een backdraft is een explosie van de brandbare gassen waarbij de verbrandende rookgassen ten gevolge van de drukverhoging door de, in dit geval geopende deur, de ruimte uit wordt geperst [Nibra, 2005b]. Door een correcte toepassing van ventilatie kunnen een flashover en een backdraft worden voorkomen, aangezien door gecontroleerde ventilatie de kans op een onvolledige verbranding wordt gereduceerd. Bij goed gebruik van ventilatie worden hitte, rook en giftige gassen op een gecontroleerde wijze afgevoerd via openingen in het dak of de gevel (rook- en warmte afvoer). Bovendien wordt lucht van buiten aangevoerd. De aanvoer van verse lucht


19

m m m m


zorgt voor een volledige verbranding. De afgevoerde hitte zorgt ervoor dat de zelfontbrandingstemperatuur van overige materialen niet wordt bereikt, mits een snelle blussing of koeling van de vuurhaard mogelijk is8. Blussing Blussing kan met behulp van brandbeveiligingsinstallaties en/of met behulp van repressieve interventies gerealiseerd worden. De mate van hittestraling bepaalt de mogelijkheden van een brandbestrijdingsinterventie door brandweerpersoneel. Om veilig te kunnen werken mag de hittestraling ter plaatse van de standplaats van een brandweerman/-vrouw niet hoger zijn dan 3 kW/m2 [BZK, 1995]. Dit betekent dat hoe hoger de hittestraling ter plaatse van de brand is, des te groter de afstand tussen de brand en de standplaats van het bluspersoneel is. Een grotere afstand leidt logischerwijs tot een verminderde effectiviteit van de blusinterventie. Voor brandbestrijding wordt meestal water toegepast. De waterbehoefte voor de bestrijding van een brand is volgens het 'Brandbeveiligingsconcept Beheersbaarheid van brand' afhankelijk van de hoeveelheid vuurlast die in een gebouw aanwezig is [BZK, 1995]. Als er een grote hoeveelheid vuurlast bij de brand betrokken is, waardoor er sprake is van hoge mate van hittestraling, is er voor de brandbestrijding veel water nodig. De bluscapaciteit van een brandweerkorps bepaalt mede de toepasbaarheid van een brandbestrijdingstactiek. Wereldwijd worden diverse methoden toegepast voor de berekening van de waterbehoefte voor brandbestrijding [Hadjisophocleous en Richardson, 2005]. Uit incidentevaluaties, uitgevoerd door de Taiwanese onderzoekers Chang en Huang [2005], blijkt de snelheid van brandontwikkeling de belangrijkste indicator voor de waterbehoefte.. Er bestaat een relatie tussen de brandduur en de mate van brandontwikkeling (Heat Release Rate) [Drysdale, 1985 in: Chang en Huang, 2005]. Dit onderlinge verband is in figuur 2.3 weergegeven. De mate van brandontwikkeling wordt bepaald aan de hand van de volgende formule [Tang & Beattie, 1997]: Q = ∂ t2 Waarin: Q is de mate van brandontwikkeling (kW) ∂ is het brandontwikkelingscoëfficiënt t is de tijd (sec) Op de horizontale as van figuur 2.3 is de verbrandingstijd weergegeven in seconden. Op de verticale as is de mate van brandontwikkeling weergegeven in kilowatt. In de figuur zijn zeven (standaard) brandkrommen weergegeven, 8

De zogeheten binnenaanval door de brandweer.


20


te weten een ultrasnelle brand niveau B (zie voor brandtype niveaus figuur 2.4), een ultrasnelle brand niveau C, drie snelle branden niveau A, B en C, een gemiddeld snelle brand niveau A tot C en een langzame brand niveau A tot B.

Figuur 2.3 – Relatie tussen HRR en brandduur [Chang & Huang, 2005]

In figuur 2.4 zijn de brandontwikkelingscoëfficiënten (∂ in de formule conform Tang en Beattie) genoemd die behoren bij de classificaties ultrasnelle brand, snelle brand, gemiddeld snelle brand en langzame brand. In de tweede kolom van links 'standaard waarde' (standard value) zijn de brandontwikkelingscoëfficiënten van verschillende typen branden weergegeven. In de derde kolom zijn voorbeelden van gebouwtypen genoemd waarin de geclassificeerde branden doorgaans voor komen. Met de classificatie "ultrasnelle brand" wordt de mate van brandontwikkeling van een plasbrand aangeduid. Een dergelijke brand kan bijvoorbeeld voorkomen in een industriegebouw waarin brandbare vloeistoffen of kunststoffen zijn opgeslagen. Denk hier bijvoorbeeld aan een gebouw waarin kunststof producten zijn opgeslagen. Een snelle brand kan voor komen in een kantoorgebouw, een middelsnelle brand in een ziekenhuis en een langzame brand in een schoolgebouw. In de meest rechtse kolom is een opdeling gemaakt in drie niveaus voor de brandontwikkelingscoëfficiënten, te weten een hoog niveau (niveau A) een standaard niveau (niveau B), ofwel de standaard waarde zoals in de tweede kolom ook is genoemd, en een laag niveau (niveau C).


21


Figuur 2.4 - Standaard brandontwikkelingscoëfficiënten [Chang & Huang, 2005] Alleen wanneer de mate van hitteabsorptie9 en/of hitteafvoer10 groter is dan de mate van brandontwikkeling, is het mogelijk een offensieve interventie uit te voeren. Dit is een interventie die gericht is op de bestrijding van de brand. In andere gevallen ligt de voorkeur bij een defensieve aanpak. Dit houdt in dat de interventie gericht is op het beheersbaar houden van de brand, zodat verdere uitbreiding wordt voorkomen. In sommige gevallen is zowel een offensieve als defensieve interventie door de brandweer niet zinvol of niet mogelijk [Markert, 1998]. In dergelijke gevallen kan de brand alleen nog beheersbaar gehouden worden met behulp van automatische systemen, zoals een sprinklerinstallatie. De mate van brandontwikkeling is de meest belangrijke parameter voor de bepaling van het brandgevaar [Babrauskas en Peacock, 1992; Jiang, 1998; Carlsson, 1999; Bukowski, 2001]. Andere parameters die worden gebruikt om het brandgevaar te karakteriseren zijn [Huggett, 1980]: - een indicatie van de omvang van de brand; - de snelheid van branduitbreiding, en daaraan verbonden de productie van rook en giftige gassen; - de beschikbare tijd voor ontvluchting of brandbestrijding; - het type interventie dat mogelijk effectief is voor beperking van branduitbreiding; - de kans op het ontstaan van een flashover.

9

Als gevolg van blussing. Als gevolg van ventilatie.

10


22


Evacuatie Met betrekking tot evacuatie zijn volgens Schneider en Könnecke [2005] twee aspecten van belang. Enerzijds is de aanwezigheid en ontwikkeling van een levensbedreigende situatie bepalend voor de noodzaak voor evacuatie. Anderzijds is de tijdige verplaatsing van de bedreigde personen vanuit de bedreigde omgeving naar een veilige omgeving bepalend voor de overlevingskans11. De dreiging die uitgaat van een brand in een gebouw hangt af van de locatie en omvang van de brand en de snelheid van de branduitbreiding. De brandontwikkeling wordt sterk bepaald door de technische kenmerken en bouwkundige staat van het gebouw. De dreiging van de brand staat niet op zichzelf maar bestaat alleen voor zover mensen aanwezig zijn en effectieve actie ondernemen om de brand te blussen of om zich aan de dreiging van de brand te onttrekken. Wanneer de aanwezigen niet in staat zijn om zelfstandig de door de brand bedreigde ruimte te verlaten, is redding door de brandweer het enige alternatief voor overleving. Het eerste aspect – de ontwikkeling van een levensbedreigende situatie - wordt in de literatuur over evacuatie aangeduid met de 'beschikbare veilige ontruimingstijd' (Available Save Egress Time, ASET). Het tweede aspect - de verplaatsing naar een veilige omgeving - wordt uitgedrukt met de term 'benodigde veilige ontruimingstijd' (Required Save Egress Time, RSET) [Schneider en Könnecke, 2005]. In figuur 2.5 wordt duidelijk dat de beschikbare veilige ontruimingstijd bijzonder beperkt kan zijn. Bij de ramp in Bradford ontwikkelde de brandsituatie zich binnen twee en kwart minuten tot een levensbedreigende situatie.

Figuur 2.5 – Brandontwikkeling in circa twee en kwart minuut. Beelden uit videoregistratie van ramp in Bradford

Aangezien dood bij brand doorgaans wordt veroorzaakt door inhalatie van rook en giftige gassen [Gann, 2004], zijn met name de rookontwikkeling en de snelheid van de (re)actie door de bedreigde personen van invloed op een effectieve evacuatie en daarmee op overleving. Kennis en aannames van aanwezigen over brandontwikkeling zijn vaak onjuist, waardoor mensen niet doen wat ze zouden moeten doen, of zelfs zichzelf nog meer in gevaar 11 Behalve evacuatie is ook brandbeheersing (of brandbestrijding) en redding bepalend voor de overlevingskans.


23


brengen [Proulx, 2001]. Zo wordt de snelheid van branden rookontwikkeling door veel mensen onderschat. Ook het verstikkende gevaar van rook wordt veelal niet onderkend [Proulx, 1997]. Dit wordt het ‘friendly fire syndrome’ genoemd [Purser en Bensilum, 2001]. Verder blijkt uit diverse evaluaties dat mensen bij onverwachte gebeurtenissen in eerste instantie vasthouden aan de rolverwachtingen die passen bij de functie van het gebouw waarin zij zich bevinden, en het gevaar negeren. In het SFPE Handbook [Pires, 2005] definieert Bryan [1995] concepten die betrekking hebben op het proces van herkenning en juiste beoordeling van brandsignalen. Zo is tijdens de periode voordat een brand wordt waargenomen de aandacht van de aanwezigen in een gebouw gericht op de activiteiten die vooraf zijn voorgenomen, de rolverwachtingen. Denk hierbij aan de activiteit 'winkelen' in een winkelcentrum. Deze rolverwachtingen beperken de herkenning en vergroten de verwerkingstijd van de informatie met betrekking tot brandgevaar [Pires, 2005]. In figuur 2.6 zijn voorbeelden van het friendly fire syndrome en de rolverwachtingen geïllustreerd weergegeven.

Figuur 2.6 – Friendly fire syndrome en rolverwachtingen. Beelden uit videoregistratie van ramp in Bradford

Een ander aspect dat de aandacht voor brandgevaar beïnvloedt is het stressniveau. Mensen kunnen een beperkte hoeveelheid informatie verwerken. Wanneer de informatieverwerkingscapaciteit wordt overschreden, is het nodig dat het individu een selectie maakt uit de informatie. Dit betekent dat hoe meer activiteiten worden uitgevoerd voordat een brand uitbreekt – dus hoe hoger het stressniveau – hoe kleiner de capaciteit om de signalen van brand te herkennen. Dit houdt in dat gestresste mensen langzamer reageren op signalen van gevaar. Verder reduceren omgevingsgeluid en vermoeidheid de aandacht voor brandgevaar [Pires, 2005]. Gedragsaspecten met betrekking tot evacuatie zijn volgens Klüpfel [2005] afhankelijk van persoonlijke omstandigheden (van jong/fit, alert naar bedlegerig, verward) en gebouwontwerp (van eenvoudig naar complex). De gedragsaspecten, de persoonlijke omstandigheden en het gebouwontwerp zijn in figuur 2.7 weergegeven.


24


Figuur 2.7 - Gedragsaspecten, de persoonlijke omstandigheden en het gebouwontwerp.

Op de verticale as van figuur 2.7 is de mate van mobiliteit van personen weergegeven, waarbij mate van mobiliteit afneemt van mobiel naar verminderd tot niet-mobiel. Op de horizontale as is mate van complexiteit van het gebouwontwerp weergegeven, waarbij de mate van complexiteit toeneemt van eenvoudig tot zeer complex. In het veld zijn schematisch vier niveaus van evacuatie weergegeven. Hoe complexer het gebouwontwerp en/of hoe verminderd mobiel de aanwezige personen, des te onveiliger de evacuatie. Zo is er sprake van situatie met een normale loopsnelheid (egress) – en dus veilig niveau van evacuatie - in een eenvoudig gebouw, zoals een gebouw zonder verdiepingen, waarin in jonge, fitte, alerte (mobiele) personen aanwezig zijn. De andere weergegeven niveaus betreffen een langzame evacuatie (slow egress), een ontvluchting naar een veilige omgeving (move to refuge) en een bescherming ter plaatse (defend in place). Bij het laatste niveau gaat het om de bouwkundige of installatietechnische bescherming van de aanwezige personen tegen de gevaren van brand/rook. Hierbij valt te denken aan subcompartimentering, zoals van ziekenhuiskamers waarin 'aanbed-gebonden' personen aanwezig zijn (decreasing mobility), en aan veilige opvangruimtes, zoals bij trappenhuizen in hoge gebouwen (increasing complexity). De meest belangrijke parameters die van invloed zijn op de evacuatietijd (RSET en ASET) zijn in figuur 2.8 weergegeven [Purser, 2003].


25


Kenmerken van

Gebouwkenmerken

Kenmerken van brand

aanwezige personen •

Aantal personen en

•

Alarmeringssysteem12

verdeling in het

•

Brandveiligheid

rookontwikkeling, hitte,

management strategie

geluid, geur en andere

Vrijstaand of geschakeld

aanwijzingen van

gebouw

brand

gebouw •

Wakend of slapend

•

Bekendheid met gebouw

•

Training

•

Fysieke vermogens /

• •

Ruimtelijke complexiteit

•

•

Merkbaarheid, zoals

Brandgedrag en branduitbreiding

beperkingen

Figuur 2.8 – Parameters die van invloed zijn op de evacuatietijd [Purser, 2003]

Mensen hebben een verschillend niveau van alertheid met betrekking tot wat er in de directe omgeving plaatsvindt. Verder reageren mensen verschillend op levensbedreigende situaties, waardoor verschil ontstaat in risicoinschatting en daarmee in de reactietijd. Deze twee kenmerken kunnen worden omgezet in drie parameters, te weten [Sime, 1995; Purser, 2003; Pires, 2005]: 1. tijd die nodig is om een incident te ontdekken 2. tijd die nodig is voor besluitvorming (pre-movement time) 3. tijd die nodig is om een veilige plaats te bereiken. Uit experimenten is gebleken dat groepen mensen veelal niet direct reageren op de eerste tekenen van brand (vreemde geur, geluid of bewegingen) of op alarmsignalen, maar dat het enige minuten duurt voordat er beweging komt in de mensenmassa [Proulx, 2001; Sime, 1995; Purser, 2003; Pires, 2005]. Deze reactietijd is onderdeel van de pre-movement time. De pre-movement time wordt (positief) beïnvloed door directieve aanwijzingen van het personeel om te gaan evacueren. Verder wordt de pre-movement time verkort door het automatisch openen van uitgangsdeuren in geval van brand13. Verder is uit experimenten gebleken dat de uitgangen die in de normale situatie gebruikt worden ook bij evacuatie het meest gebruikt worden. Nooduitgangen die in de normale situatie niet gebruikt worden, blijken bij een evacuatie relatief minder te worden gebruikt [Sandberg, 1997].

12 De wijze van alarmering, bijvoorbeeld via een slow-whoop signaal of via een gesproken bericht, heeft invloed op de reactietijd van de aanwezigen in een gebouw. 13 In geval deuren in het normale gebruik zijn afgesloten en bij brand via bijvoorbeeld een (elektrische aangestuurde) noodknop geopend moeten worden.


26


3 Beginselen van simulatie

Simulatie, los van brand, is een vakgebied op zich. Zoals elk vakgebied kent ook het simuleren een aantal grondbeginselen waaraan voldaan moet worden. In dit hoofdstuk worden deze grondbeginselen nader verklaard. In paragraaf 3.1 wordt het toepassingsgebied nader omschreven. In 3.2 wordt de relatie tussen modellering en simulatie uitgewerkt. In 3.3 komen typische problemen die met simulatie samenhangen aan de orde. Vervolgens worden rekenmethodes (3.4), invoergegevens (3.5), scenario's (3.6) en uitvoer/resultaten (3.7) besproken. In paragraaf 3.8 wordt ingegaan op de validatie en verificatie van simulatiemodellen.

3.1

Toepassingsgebied

Het gebruik van simulaties maakt het mogelijk om brandveiligheid op een analytische, wetenschappelijke manier te benaderen. Het op een wetenschappelijke manier benaderen van brandveiligheid gebeurt al geruime tijd in Nederland. Echter, de acceptatie van simulaties als onderdeel van het besluitvormingsproces rondom de brandveiligheid van een gebouw is een ontwikkeling van de laatste jaren. Om een goed inzicht te krijgen van het toepassingsgebied is het noodzakelijk meer achtergronden te hebben van de Nederlandse (bouw-)regelgeving. De Nederlandse (bouw-)regelgeving is in beginsel prescriptief, ofwel voorschrijvend. Het Bouwbesluit kent zowel doelvoorschriften als prestatieeisen en aan beide moet worden voldaan. Een voorbeeld van een prestatie-eis is dat een gebouw moet zijn opgedeeld in brandcompartimenten met een omvang van maximaal 1000 m2. Grotere compartimentering is mogelijk, maar dan moet de gekozen oplossing een gelijkwaardig veiligheidsniveau bieden als met de voorwaarden zoals vastgelegd in het doelvoorschrift en in de prestatievoorschriften is beoogd. Het doelvoorschrift dat ten grondslag ligt aan brandcompartimentering luidt: "een te bouwen bouwwerk is zodanig dat de uitbreiding van brand voldoende wordt beperkt". Maar aan welke toetscriteria moet worden voldaan om de uitbreiding van brand 'voldoende' te beperken? Wat is voldoende? Mede doordat de toetscriteria niet voldoende helder zijn [Coppens et al, 2003; Van der Veek en Horsley, 2003], blijkt het in de praktijk lastig de mate van gelijkwaardigheid te beoordelen. Dit geldt zowel voor de ontwerper als voor de handhaver (gemeentelijke brandweer en/of bouwen woningtoezicht). De huidige regelingen voor brandveiligheid zijn enerzijds gebaseerd op aannames en afspraken en anderzijds op onderzoeksresultaten uit het verleden, maar waarvan de onderliggende onderzoeksrapporten niet te achterhalen zijn. De voorschriften kennen daarmee geen wetenschappelijke basis, terwijl juist


27


vanuit wetenschappelijk onderzoek (gelijkwaardige) oplossingen voor brandveiligheid ontwikkeld kunnen worden.

Voorschriften

Bouwtechniek

Expertoordeel

Wetenschap

WETGEVING

ONTWERP

VERIFICATIE

VALIDATIE

“Welke veiligheid is vereist?”

“Hoe is veiligheid uitgevoerd?”

“Wordt ontwerp gelijkwaardig aan Bouwbesluit beschouwd?”

“Wat is veilig?”

Gelijkwaardigheid Bouwbesluit Figuur 3.1 – Proces van Nederlands beoordelingssysteem voor brandveiligheid

Andere landen, zoals de Verenigde Staten, Groot-Brittannië en Zweden, kennen een performance-based systeem van voorschriften met betrekking tot de brandveiligheid van gebouwen. Bij een performance-based wetgeving is sprake van zogeheten doelvoorschriften waarin de doelstellingen van brandbeveiliging zijn weergegeven. Dit systeem heeft een wetenschappelijke grondslag, te weten de Fire Safety Science. Het ontwerpen volgens deze wetenschappelijke basis wordt aangeduid met Fire Safety Engineering. Binnen dit vakgebied wordt al jaren gebruik gemaakt van instrumenten als simulatiesoftware voor brandontwikkeling, brandbeveiligingsinstallaties en evacuatie. Overigens staat de wetenschap omtrent brandontwikkeling en het evacuatiegedrag van mensen internationaal gezien nog in de kinderschoenen. Dit geldt helemaal voor de Nederlandse situatie.

Voorschriften

Bouwtechniek

Wetenschap

Expertoordeel

WETGEVING

ONTWERP

VALIDATIE

VERIFICATIE

“Welke veiligheid is vereist?”

“Hoe is veiligheid uitgevoerd?”

“Wat is veilig?”

“Wordt ontwerp als brandveilig beschouwd?”

EVALUATIE “Zijn getroffen maatregelen effectief?” - Incidentanalyse - Experimenten

Performance-based benadering (Fire Safety Engineering) Figuur 3.2 – Proces van Fire Safety Engineering


28


Het Nederlandse beoordelingssysteem kan gekenmerkt worden als een statisch systeem en de beoordeling conform de methode van Fire Safety Engineering kan gekenmerkt worden als een dynamisch systeem. In figuur 3.1 is het proces van het Nederlandse beoordelingssysteem weergegeven. Hierin is weergegeven dat het beoordelingsproces begint bij de toetsing met behulp van de voorschriften. De wetgeving bepaalt namelijk aan welke eisen een gebouwontwerp moet voldoen. Vervolgens wordt beoordeeld of de wijze van uitvoering in bouwkundige of installatietechnische voorzieningen (bouwtechniek) in overeenstemming is met de wetgeving. Wanneer gekozen is voor een 'alternatieve invulling van de prestatie-eisen', zoals bij een voorstel voor 'gelijkwaardigheid' het geval is, zal door experts (brandpreventiedeskundigen) beoordeeld moeten worden of het voorstel voldoet aan de beoogde mate van veiligheid, zoals in het Bouwbesluit is vastgelegd. Bij de beoordeling van gelijkwaardigheid kan gebruik gemaakt worden van de wetenschap, zoals verwerkt is in rekenregels en simulatiemodellen14. En aangezien prestatie-eisen niet worden aangepast aan nieuwe inzichten uit de wetenschap, is er sprake van een statisch systeem15. Bij het proces van Fire Safety Engineering, zoals weergegeven in figuur 3.2, is de wetenschap onderdeel van het beoordelingssysteem. Op basis van wetenschappelijke inzichten wordt namelijk door de experts beoordeeld of er sprake is van invulling van het vereiste veiligheidsniveau, zoals vastgesteld in een perfomance-based wetgeving. Hierbij wordt bekeken of de feitelijke prestatie van voorzieningen, zoals getest in experimenten of gebleken uit incidentevaluaties (evaluatie), in overeenstemming is met de prestatie zoals beoogd in de doelvoorschriften (validatie). Omdat in deze voorschriften een doelstelling is geformuleerd, anders dan bij de Nederlandse functionele eisen en prestatie-eisen het geval is, is er als gevolg van evaluatie sprake van een continue inpassing van vernieuwde wetenschappelijke inzichten in de wetgeving. Dit betekent echter ook dat de ontwerpers en toetsers/handhavers actief hun kennisniveau op peil moet houden en dat er veel onzekerheid kan bestaan over de te treffen maatregelen om het benodigde veiligheidsniveau te kunnen behalen. Bovendien kan onduidelijkheid bestaan over welke beoordelingsinstrumenten toegepast kunnen worden (zie ook paragraag 3.9 van dit hoofdstuk). Simulatiemodellen kunnen als ondersteunend instrument gebruikt worden bij een beoordeling van een gebouwontwerp dat gebaseerd is op een brandbeveiligingsconcept. Een brandbeveiligingsconcept verzamelt de 14 Veel van de rekenregels die in Nederland worden toegepast zijn veelal gebaseerd op afspraken en niet zozeer op (gevalideerde) uitkomsten van wetenschappelijke experimenten. Verder wordt ook in simulatiemodellen gebruik gemaakt van aannames in plaats van alleen (valide) uitkomsten van wetenschappelijke experimenten. 15 Overigens moet worden vermeld dat de prestatie-eisen zijn gebaseerd op een geaccepteerd (on)veiligheidsniveau. Ofwel, het opvolgen van de prestatie-eisen resulteert niet in een 100% brandveilig ontwerp. Echter, anders dan bij een performance-based wetgeving, is het bij prescriptieve wetgeving lastiger prestatie-eisen te wijzigen wanneer vanuit wetenschappelijk onderzoek blijkt dat de eisen niet (voldoende) effectief zijn.


29


fundamentele uitgangspunten voor brandbeveiliging, waarbij de uitgangspunten vanuit een integrale benadering op elkaar zijn afgestemd. De uitgangspunten zijn geïntegreerd in: - een normatief brandverloop, waarin de snelheid van branden rookontwikkeling is afgezet tegen de snelheid van ontvluchting en redding - een of meerdere maatscenario's, die is voortgekomen uit een risicobeoordeling op basis van statistiek. Bij een risicobeoordeling zijn de beoordeling van de kans op het ontstaan van het scenario en de te verwachten effecten van belang - de schakels van de veiligheidsketen van waaruit maatregelen getroffen kunnen worden, te weten proactie, preventie, preparatie, repressie en nazorg - de veiligheidsbalans, waarin het benodigde brandveiligheidsniveau is afgezet tegen de onderdelen van een gebouwontwerp waarbinnen de uitvoering van maatregelen kan plaatsvinden, te weten planologie, bouwkunde, installatietechniek, gebruik, interne organisatie en een repressieve inzet van de brandweer. Het is niet de bedoeling om brandveiligheidbeslissingen te baseren op een uitgevoerde simulatie zonder de uitgangspunten van de simulatie te toetsen aan een brandbeveiligingsconcept. De simulatie zal altijd onderdeel moeten zijn van een integrale benadering van brandbeveiliging en dus een middel zijn, niet het doel op zich.

3.2

Simuleren en modelleren

Bij simulatie gaat het om een benadering van de werkelijkheid. Onder het begrip ‘simulatie’ wordt in dit document verstaan: op basis van rekenkundige modellen, met behulp van computerondersteuning16, een realistische nabootsing van een proces, een structuur en/of een situatie creëren. Simulaties zijn, zoals hiervoor genoemd, gebaseerd op rekenkundige modellen. Een model is altijd een beperkte weergave van de werkelijkheid. Om te simuleren is modelering noodzakelijk. Onder het begrip 'modelleertechniek' wordt verstaan [Battjes et al., 1999]: de (wetenschappelijke) kunst om een deel van de werkelijkheid via fysische formules en wiskundige vergelijkingen te vertalen naar een voorspellend model.

16 Simulatie is hiermee niet te vergelijken met animatie. Animaties zijn visualisaties van resultaten/activiteiten, mogelijk op basis van rekenkundige modellen en simulaties.


30


Praktisch betekent modelleren dat de volgende stappen worden doorlopen [Battjes et al., 1999]: 1 2

3 4

5

6

7

8

probleemanalyse. Deze is nodig om de vraagstelling af te bakenen. Daarvoor is inzicht nodig in het probleem en in het systeemgedrag; schematisering van het systeem. De grenzen van het te beschouwen systeem worden op grond van globale kennis en intuïtie gekozen en de processen en grootheden geïdentificeerd die van essentieel belang worden geacht. De rest wordt gemotiveerd buiten beschouwing gelaten. modelformulering. De relaties tussen de relevant geachte grootheden worden in wiskundige vergelijkingen vertaald. oplossingsmethode. In eenvoudige gevallen geeft een grafische methode een eerste indruk. In sommige gevallen is een analytische oplossing mogelijk. Tegenwoordig worden vrijwel uitsluitend numerieke oplossingsmethoden gebruikt met behulp van de computer. validatie. Enkele gevallen waarvan het gedrag in globale zin bekend is worden met het model doorgerekend om na te gaan of het model dat gedrag op hoofdlijnen reproduceert. gevoeligheidsanalyse. Er wordt nagegaan hoe sterk de met het model berekende grootheden reageren op variaties in de waarden van bepaalde invoergrootheden zoals systeemparameters, externe grootheden of model coëfficiënten. ijking of calibratie. De waarden van onbekende modelcoëfficiënten worden zo goed mogelijk geschat op grond van een vergelijking van modeluitkomsten met meetwaarden. verificatie. De geschiktheid van het geijkte model (zie 7) wordt nagegaan door het model toe te passen op een aantal representatieve, bekende situaties (bijvoorbeeld bekend van metingen/ evaluaties). De modeluitkomsten worden vergeleken met de bekende waarden. De situaties zijn andere dan die in de ijking zijn gebruikt.

Indien men gebruik gaat maken van bestaande simulatiemodellen zijn de volgende stappen te nemen: 1 kiezen van: - de invoergegevens - factoren die de efficiëntie van de computer betreffen (zoals maximale rekentijd, type rekenrooster) - display van de oplossing (de data, bijvoorbeeld temperatuurgradiënten, worden door kleuren gerepresenteerd). 2 invoeren en/of inlezen van inputgegevens; 3 berekenen van de oplossing door de computer (in de tussentijd kan men nagaan wat de te verwachte uitkomst zou moeten zijn); 4 afwerken van de display ('de film') van de oplossing.


31


In het vakgebied van fysieke veiligheid zijn er verschillende doelstellingen voor simulatie, zoals: - het nemen van weloverwogen beslissingen voor de brandpreventieve en beschermende maatregelen in een complex gebouwontwerp - het realistisch oefenen van hulpverleningsorganisaties - het evalueren van een incident (brandonderzoek)17. 3.3

Problematiek van simulatie

Zoals eerder aangegeven is er bij simulatie sprake van een benadering van de werkelijkheid. Het omzetten van de werkelijkheid naar een model kent specifieke problematiek. Ter illustratie van de problematiek van modelleren wordt hieronder de specifieke problemen van het modelleren van brand weergegeven. Voor evacuatie en interventiemodellen spelen vergelijkbare problemen. Het fenomeen brand is een extreem complex proces met een verscheidenheid aan gevaren voor mensen, bouwwerken en omgeving. Het brandonderzoek vordert om deze reden slechts langzaam mede ook omdat experimenten op werkelijke schaal erg duur zijn; bovendien worden (wereldwijd) alleen bij bijzondere, grote branden veldonderzoek gedaan waardoor toetsing van modellen aan de praktijk erg beperkt is. Wetenschappelijk brandonderzoek zet daarom in op computersimulatie hetgeen door de toenemende rekenkracht steeds betaalbaarder wordt. Daarbij wordt dankbaar gebruik gemaakt van modellen die uit andere onderzoeksvelden komen; het brandgedrag in een vlam wordt bijvoorbeeld onderzocht in het kader van de optimalisering van branders; het verschijnsel van turbulentie in stromingen wordt onderzocht in het kader van binnenklimaatbeheersing; het onderzoek van de problematiek van warmteoverdracht c.q. isolatie is van belang bij veel productieprocessen zoals spuitgietwerk. Het brandonderzoek richt zich op de verschillende brandstadia. Hieronder wordt voor elk brandstadium de belangrijkste fysische processen genoemd en de bijbehorende problematiek van de modellering [Novozhilov, 2001]. Ontsteking Dit proces wordt ten eerste bepaald door het warmtetransport van de initiële bron (een lamp bijvoorbeeld) naar de brandbare stof (brandhaard). Bij vaste stoffen speelt vervolgens het pyrolyseproces een essentiële rol. Dit proces wordt bepaald door de aard van de stof zoals poreusiteit en verkoolbaarheid en omgevingscondities zoals pakkingdichtheid en warmte-isolatie. In het algemeen speelt daarna de overgang van de ene naar de andere aggregatietoestand als functie van de temperatuur een rol. In sommige situaties ontstaat geen vlam maar is er sprake van smeulbrand; voor de

17 Bijvoorbeeld om gebeurtenissen tijdens een incident te kunnen verklaren/begrijpen en om de gekozen inzetstrategie te evalueren.


32


simulatie van backdraft moet een smeulbrandmodel gebruikt worden. Tenslotte wordt de ontsteking van het ontstane gas bepaald door de aard van de ontstekingsbron en door de mengverhouding van het gas met lucht. Het brandgedrag in een vlam is een onderzoeksprobleem op zich; het speelt voor de simulatie van het macro brandgedrag verder geen of slechts een ondergeschikte rol. Als de netto warmteflux van de primaire brandhaard bekend is (of aangenomen wordt), wordt de modellering beperkt tot het warmtetransport in vaste stoffen en de pyrolyse. Voor de validatie van pyrolysemodellen kan men kleinschalige experimenten benutten, uitgevoerd met bijvoorbeeld een Cone Calorimeter. Groei De groei van de brand wordt bepaald door het type 'brandstof' van de primaire brandhaard, de beschikbaarheid van lucht (ventilatie), de vorm van de ruimte (schoorsteenwerking) en andere factoren. De groei van de brand wordt vervolgens mede bepaald door het vrijkomen van brandbare gassen door pyrolyse van objecten elders in de ruimte. Naast het reeds genoemde stofspecifieke pyrolyseproces speelt opwarming van objectoppervlakten door hittestraling, warmtestroming en/of geleiding vanuit de brandhaard een rol. De warmtestroming leidt tot een concentratie van brandbare en onvolledig verbrande gassen bij het plafond. Deze hete laag fungeert op een gegeven moment als een secundaire warmtestraler. De voorspelling van de warmteflux door convectie en straling in ontwikkelde turbulente stromingen is moeilijk en daarom nog steeds in ontwikkeling. De turbulentie maakt ook de voorspelling van de grenslaag tussen de opdrijvende hete rookgassen en de koele laag daaronder lastig. Tenslotte is de voorspelling van de stralingsfeedback van de hete laag lastig door de onzekerheid ten aanzien van de mate van roetvorming in deze laag. Veel onzekerheden dus in relatie tot het grote gevaar van dit brandstadium: blokkering van ontvluchtroutes respectievelijk belemmering van de hulpverleners door de snelle en onvoorspelbare verspreiding van rook en giftige gassen. Flashover Een flashover is een zeer snelle en turbulente overgangsfase van de nagenoeg lineaire groeifase naar de situatie van de volledig ontwikkelde brand. Als in de groeifase ruiten nog niet zijn gesprongen ten gevolge van de hitte dan gebeurt dat mede door de drukopbouw in deze fase. Deze fase wordt bepaald door thermische instabiliteit welke (nog) niet wordt gemoduleerd. Volledig ontwikkelde brand In deze fase is de vrijkomende verbrandingsenergie per tijdseenheid het grootst. De verbranding wordt beheerst door de beschikbaarheid van lucht. Hier speelt de modellering van luchtstromen een overwegende rol. Deze modelering gaat met diverse onzekerheden en onbekendheden gepaard.


33


Dooffase Deze fase wordt niet of nauwelijks gemodelleerd. Simulaties worden, met het oog op de dure computertijd, na een bepaalde tijd afgebroken. Deze tijd wordt bepaald door de voor het object van onderzoek geldende norm voor de sterkte van de hoofddraagconstructie bij brand (maximaal 4 uur voor bijvoorbeeld de Groene Harttunnel [HSL, 2000]. Voor de bepaling van de sterkte bij brand zijn modellen van de warmteflux van de brand naar de constructie en het gedrag van materialen respectievelijk constructies bij brand van belang18.

3.4

Rekenmethodes

In de vorige paragraaf is aangegeven dat de stromingsleer (fluid dynamics) een belangrijke theoretische basis vormt voor de simulatie van branden rookontwikkeling. Ook voor de simulatie van evacuatiestromen wordt in sommige evacuatiemodellen uitgegaan van de stromingsleer. De voor de theoretische stromingsleer karakteristieke niet oplosbare, niet-lineaire vergelijkingen heeft sinds de opkomst van computers met steeds grotere rekenkracht geleid tot een nieuwe discipline binnen de stromingsleer, de numerieke stromingsleer (computational fluid dynamics). In deze paragraaf wordt een beknopt en globaal overzicht gegeven van het vakgebied van de numerieke stromingsleer. Het vakgebied van de numerieke stromingsleer is vrij omvangrijk: het wordt toegepast op langzaam kruipende zeer viscose stromingen tot samendrukbare hoge-snelheidsaërodynamika. De vergelijkingen en modellen van deze fysische verschijnselen zijn bekend; ze kunnen dus numeriek opgelost worden. Daarvoor staan meerdere methoden ter beschikking [Geurts, 2002]: - eindige differentie methode (Finite Difference Method, FDM) op basis van bijvoorbeeld Taylor-reeks19 expansies. FDM wordt vooral toegepast in academische programma's; - eindige elementen methode (Finite Element Method, FEM) is vooral bekend uit de sterkteleer, waar in wezen dezelfde technieken toegepast worden zij het met andere differentiaalvergelijkingen; - eindige volumen methode (Finite Volume Method, FVM) lijkt op het eerste gezicht op FEM. De behoudswetten (voor impuls, massa, energie enzovoorts) worden (met behulp van het theorema van Gauss) geïntegreerd over volume elementen, normaliter cellen genoemd. Dit houdt onder andere in dat in alle omstandigheden, ook bij een grof model, per definitie aan alle behoudswetten voldaan wordt; - overigen zoals de spectrale methode en cellulaire automata.

18 Zowel de modellering van het effect van brand op constructies (bezwijksimulaties) als de modellering van het gedrag van materialen bij brand vallen buiten de scope van deze verkenning. 19 Een Taylorreeks is een (oneindige) som die de benadering vormt van een functie (formule). In het algemeen is de Taylorreeks een van de mogelijkheden om een onoplosbare vergelijking om te zetten in een som die op een bepaald moment (automatisch) wordt afgebroken zodat de computer een goede benadering van de uitkomst kan berekenen.


34


De ervaring leert dat elke nu bekende numerieke methode 'struikelt' over de complexiteit van turbulente stroming bij voldoende hoge Reynoldsgetallen20, hetgeen typisch is voor de brandfysica [Novozhilov, 2001]. Het alternatief van een minder gedetailleerde beschrijving van de turbulente stroming dient zich derhalve aan. Hiervoor zijn in principe diverse 'middelende' beschrijvingen ontwikkeld, bijvoorbeeld gebaseerd op een statistische representatie van de turbulentie, zoals in 'Reynolds middelende' formuleringen (RANS: ReynoldsAveraged/ Navier-Stokes21). Deze numerieke techniek kost nog veel computertijd, vandaar dat een verdere vereenvoudiging gezocht is door de toepassing van de zogenaamde Large Eddy Simulaties (LES)22. Bij deze techniek worden in de stromingsruimte alleen de grote wervels beschouwd. De effecten van de kleine wervels die relevant zijn aan de wanden van de stromingsruimte worden alleen daar berekend door ter plaatse het rekenrooster te verfijnen en alleen daar de RANS-techniek toe te passen. 3.5

Invoergegevens

Invoeren gebouwontwerp Voordat er gerekend kan worden dient een rekenrooster gemaakt worden (de termen cel, vermazing of de Engelse termen 'mesh' of 'grid' worden ook wel gebruikt). Uitgangspunt vormt in de regel een geometrie dat met behulp van een CAD-systeem wordt aangemaakt. Veel bouwtekeningen, zeker die van complexe ontwerpen, zijn al als CAD-bestand beschikbaar. Ook is het van belang of het rekendomein driedimensionaal of eventueel tweedimensionaal afgebeeld kan worden. Brandprocessen zijn per definitie driedimensionaal. Bestaande CAD bestanden moeten worden ontdaan van overtollige informatie, eventueel het toevoegen van ontbrekende onderdelen dan wel het omzetten van 2D naar 3D. Verwijderd worden bijvoorbeeld [Geurts, 2002]: - tekst, maatlijnen en arceringen - wanddiktes en onderdelen die niet met het rekendomein in contact staan - boutgaten en andere (niet van belang zijnde) gaten en spleten - dubbele vlakken en lijnen - vaak ook afrondingen die niet van belang zijn. Vermazing (definiëring van het grid) Zodra de CAD-gegevens in orde zijn kan overgegaan worden tot het maken van een rekenrooster. Er zijn in principe verschillende mogelijkheden (afhankelijk van de gewenste nauwkeurigheid, complexiteit van de geometrie, rekentijden enzovoorts): - een parametrisch model (in de regel beperkt tot 'simpele geometrieën') - een model met voornamelijk hexaëders (Lego-blokjes; beter met betrekking tot nauwkeurigheid en gunstig voor rekentijden) 20 Het Reynoldsgetal van een vloeistof of gas geeft aan wanneer deze, stromend door bijvoorbeeld een buis, laminair of turbulent is. De weerstand van de stroming verschilt sterk voor beide type stromingen. 21 Dit betreft een set van vergelijkingen die de stroming van stoffen als gassen en vloeistoffen beschrijven. 22 Een eddy is een wervel, draaikolk.


35


-

een model met voornamelijk tetraeders (in ongeacht welke vorm passen tetra's) een combinatie van de drie bovenstaande keuzes (hybride aanpak). Het maken van een bij het probleem passend rekenrooster kan snel gaan (uren tot dagen) maar ook weken en soms zelfs maanden duren. Vanwege de mogelijke lange tijd is het vereenvoudigingen, geometrisch dan wel met betrekking tot de fysische vraag, van belang. Een en ander is dan natuurlijk wel afhankelijk van de gestelde vraag [Geurts, 2002].

Gridkeuze Het rekenrooster wordt gemaakt door speciaal daartoe ontwikkelde computersoftware. Men kan kiezen uit verschillende roostersystemen. De trend gaat richting ongestructureerde roosters, zie figuur 3.3.

3D

ongestructureerd

gestructureerd

enkel-

samen-

voudig

gesteld

blok

blok

hexagonaal (zesvlak; vaakst toegepast)

(uitsluitend)

hybride

tetraëder

(prisma's,

speciaal

tetra's en hexa's)

trend Figuur 3.3 - Overzicht van roostersystemen

Voor elk probleem moet men opnieuw de keuze maken welk roostersysteem het meest voor de hand ligt. Met name de keuze van de verfijningen ter plaatse van belangrijke plaatsen, zoals wanden, kan bepalend zijn voor de realiteit van de simulatie. Parameters Van groot belang voor een werkelijkheidsgetrouwe simulatie is de bepaling van de relevante parameters. Vaak worden parameters in eerste instantie bewust buiten beschouwing gelaten om een werkende computersimulatie te kunnen maken; gedurende de ontwikkelingsjaren van een programma,


36


worden vervolgens steeds meer subprogramma's toegevoegd waarin deze parameters een rol spelen. Hieronder volgt een niet limitatieve opsomming van parameters die bij (brand)simulaties moeten worden ingevoerd [Friedman, 1992]: - geometrie van het (de) compartiment(en)23, waaronder in het bijzonder hellingen en stroming beïnvloedende constructies (balken, balkon, atrium, etc.) - plaats van het (de) brandende object(en) (geografisch; voor een raam of deur, etc.) - ventilatievoud per compartiment - thermische eigenschappen van begrenzende oppervlakten (vloer, wanden, plafond) - thermische eigenschappen van objecten die aan de verbranding deelnemen - het brandproces i.c. de verbrandingswarmte per tijdseenheid als functie van de tijd en het percentage zuurstof - pyrolysesnelheid van onderscheidenlijke secundaire brandobjecten - stoichiometrische verhoudingen van lucht en brandstof (C, CO, etc.) - viewfactor tussen stralers, waaronder de hete rook, en (secundaire) brandobjecten - fracties van giftige en corrosieve gassen in de rook. In de analyse van invoergegevens in evacuatie simulatiemodellen (afhankelijk van het type programma, in dit geval BuildingEXODUS) zijn de volgende parameters naar voren gekomen [Jiang et al., 2003]: - temperatuur - warmtestraling - uitstoot giftige gassen (CO, CO2) - zuurstofconcentratie - optische rookdichtheid - doorstroomsnelheid van uitgang (personen/m/s) - aantal personen - reactietijd van personen - tijd tussen ontstaan van brand en invloed van brandgevaar op personen - zonering van distributiegebieden (hitte/rookdichtheid/warmtestraling/giftige gassen). De hierboven opgesomde parameters worden als vaste waarden in het te simuleren scenario verondersteld. Bij een werkelijke brand of evacuatie kunnen parameters echter tengevolge van de brand of evacuatie wijzigen. Een brandmuur kan zijn functie vroegtijdig verliezen doordat een doorvoering onvoldoende brandveilig is uitgevoerd. Een evacuatie in een bepaalde ruimte kan heel anders verlopen wanneer bijvoorbeeld een lichte scheidingswand het onder de druk van een menigte het begeeft. 23 Overeenkomstig de internationale literatuur wordt het woord compartiment voor ruimte gebruikt; er wordt dus niet een brandcompartiment bedoeld.


37


Kruse en Dehne [2005] stellen dat engineering methoden, zoals toegepast in simulatiemodellen, te weinig gebaseerd zijn op veiligheidsconcepten op basis van kansberekeningen. Veelal worden de volgende aspecten genegeerd: - mogelijkheid dat brandpreventieve en beschermende veiligheidsmaatregelen falen - variatie in de parameters van een simulatiemodel - onzekerheid van de uitkomsten van een simulatiemodel Ook is de reactietijd en interventie van brandweer vaak niet in de simulaties meegenomen. Deze ontbrekende componenten kunnen gecompenseerd worden door gebruik te maken van een veiligheidsconcept dat gebaseerd is op een risicobeoordeling [Kruse en Dehne, 2005]. 3.6

Scenario

Elementair in zowel modelering van een brandontwikkeling als in een evacuatie is het brandscenario. De keuze van het brandscenario is bepalend voor simulatie van de branden rookontwikkeling in een gebouwontwerp, maar ook van grote invloed op evacuatiemogelijkheden. De belangrijkste bepaling is hierbij is de omvang van de brand. Volgens Peacock et al. (2004) zijn twee categorieën van brandomvang te onderscheiden, te weten (i) een brand die zich beperkt tot de ruimte van ontstaan, doorgaans getypeerd als een pre-flashover brand, (ii) (ii) een brand die zich tot buiten de ruimte van ontstaan heeft uitgebreid, doorgaans getypeerd als een post-flashover brand. Daarnaast kan een brand ook gecategoriseerd worden naar de snelheid van brandontwikkeling. Hierbij wordt doorgaans een onderscheid gemaakt tussen vier snelheden waarbinnen een brand de Heat Release Rate (HRR = de mate van brandontwikkeling) van 1 MW bereikt, te weten [Peacock et al., 2004]: - ultrasnel < 75 sec - snel 75 – 150 sec - gemiddeld 150 – 400 sec - langzaam > 400 sec Voor nadere informatie wordt verwezen naar de figuren in paragraaf 3.4. Bovendien kan de plaats van het ontstaan van een brand bepalend zijn voor de simulatie van de beschikbare ontruimingstijd. De voorspelling van de branden rookontwikkeling, gerelateerd aan het aantal en de locatie van personen in een gebouwontwerp, bepaalt namelijk hoeveel tijd beschikbaar is voordat er een levensbedreigende situatie ontstaat. Daarmee wordt de maximale tijdsduur bepaald die voor de evacuatie van de door brand bedreigde personen beschikbaar is, of wordt het aantal slachtoffers vastgesteld indien de tijdsduur voor evacuatie (RSET) groter is dan de tijdsduur van brand- rookontwikkeling (ASET).


38


3.7

Outputgegevens

Ter beperking van de rekentijd bepaalt men voorafgaande aan een simulatie welke outputgegevens men wil genereren. Het gaat hier niet alleen om keuze van de grootheden zelf maar vooral ook de plaats waar men de waarde van bepaalde grootheden wil weten. In deze paragraaf wordt een indruk gegeven van de in de literatuur gevonden variëteit aan outputgegevens. Outputgegevens van brandsimulaties zijn onder meer [Friedman, 1992]: - temperatuurverandering op diverse plaatsen - snelheidsveranderingen van bewegnde lucht op diverse plaatsen - concentraties van rook, zuurstof, giftige en corrosieve stoffen als functie van tijd en plaats - stralingsintensiteit op onderscheidenlijke objecten - inschakeltijd van rookdetectoren en sprinklerkoppen - rooklaaghoogte - zichtlengte - thermische en/of rookschade van de constructie en/of inrichting - effectiviteit van een automatische blussysteem. Outputgegevens van evacuatiemodellen zijn onder meer [Jiang et al., 2003]: - evacuatietijd (gemiddelde per individu, cumulatief) - wachttijd (gemiddelde per individu, cumulatief) - gemiddelde effectieve looptijd (m/s), rekening houdend met wachttijden - moment van eerste dodelijke slachtoffer - moment dat individu het gebouw verlaat - aantal geëvacueerde personen - aantal slachtoffers - plaats waar dodelijk slachtoffer valt - beschikbaarheid van uitgangen. De outputgegevens dienen vervolgens nader beschouwd te worden. Het gaat hierbij om de interpretatie van de gegevens en de onzekerheden. Interpretatie van resultaten Het juist interpreteren van de resultaten van brand-, rook- of evacuatiesimulatie is, net als het invoeren van parameters, alleen weggelegd voor vakinhoudelijke experts. Een simulatiemodel kan gebruikt worden als toverdoos met oneindig veel mogelijkheden en uitkomsten. Ondeskundig gebruik kan tot gevolg hebben dat outputgegevens sterk variëren. Het nog steeds zo dat bijna elke uitkomst van een simulatiemodel pas nuttig is mits deze wordt geïnterpreteerd door een expert die kennis heeft over de invoergegevens, aannames, modelfouten en modelonbetrouwbaarheden. Zelfs al gaat men goed om met deze variabelen bestaat er nog een mate van onzekerheid. Een simulatie is ten slotte een benadering. Neemt men deze onzekerheid niet mee dan is het onmogelijk om te garanderen dat men


39


bijvoorbeeld voldoet aan de gestelde ontwerpcriteria. Dit kan een onveilig ontwerp of onnodig duur ontwerp tot gevolg hebben. Onzekerheden Blockley [1980] heeft een lijst opgesteld met verschillende typen fouten die kunnen voorkomen bij modelberekeningen voor bouwkundige toepassingen. De typen fouten zijn algemeen en kunnen ook binnen het vakgebied Fire Safety Engineering, simulaties gebruikt worden. Energistyrelsen [1996] heeft vervolgens de fouttypes gebundeld in vier groepen [Lundin, 1999]: - Middelen: het gaat hierbij om aspecten die de simulatie faciliteren zoals geld en tijd - Aannames: het gaat hierbij om beslissingen van de programmeur zoals de keuze van het wiskundige model of het bereik van de simulatie - Modellen: het gaat hierbij om onzekerheden in de rekenregels van bijvoorbeeld wiskundige voorspellingen - Input: het hierbij om het verschil tussen de werkelijkheid en het model zoals bijvoorbeeld de onbekendheid met stromingspatronen van hete rookgassen door natuurlijke variatie. De gebruiker van een simulatiemodel moet kennis hebben van de modelvorming dat aan het programma ten grondslag ligt. Hij moet weten wat het bereik van de toepassing is, op welk type gebouw het programma gevalideerd is, et cetera. De toepassing van het programma op een specifieke casus moet door de gebruiker verantwoord kunnen worden. Welke keuzes zijn gemaakt ten aanzien van bijvoorbeeld de plaats en omvang van de brandhaard, het gedrag van bijvoorbeeld ruiten als functie van de temperatuur, et cetera. Van belang is dat de gebruiker 'gevoel' heeft voor de gesimuleerde processen zodat hij kan vaststellen of de berekende oplossing geloofwaardig is. Hij moet kennis hebben van het brandverloop, het gedrag van bouwmaterialen en constructies, het vluchtgedrag van mensen, het effect van brandventilatie, et cetera. Tenslotte is vaardigheid nodig met het simulatieprogramma en hulpprogramma's voor (onder andere) het invoeren van gegevens zoals de bouwtekening.

3.8

Validatie en verificatie

Validatie Bij validatie wordt beoordeeld in hoeverre het model aansluit bij de werkelijkheid. Validatie geeft daarmee antwoord op de vraag wat het toepassingsgebied van het model is. Men geeft tevens een onderbouwing tot hoever het toepassingsgebied eventueel opgerekt mag worden. Men kan valideren aan de hand van andere modellen, theoretische proeven, praktijkproeven (experimenten) en onder praktijkomstandigheden door brand(oorzaak)evaluatie [Battjes et al., 1999]. Het doel van validatie is het 'vertrouwen in de voorspellende waarde van het model' te kwantificeren.


40


De experimenten moeten als standaard dienen om de uitkomsten van het simulatiemodel te valideren. Om deze reden zijn er enkele bijzondere vereisten aan de uitvoering van experimenten verbonden [Friedman, 1992]: - samenwerking tussen degene die de experimenten uitvoeren en de modelbouwers is essentieel voor de validatie-experimenten - een gedeeld begrip van de doelstellingen en condities van het experiment is noodzakelijk - pretest24 analyses zijn nodig als ondersteuning bij de ontwikkeling van het experiment - het is vereist een helder begrip te hebben van de aard, oplossing en verwachte onzekerheid van de experimentele meting, inclusief de grensen initiële condities - het is noodzakelijk de validatiecriteria helder te definiëren - bij de selectie van de validatiecriteria zou het belangrijkste punt van overweging moeten zijn, het verlangde eindgebruik van het model in relatie met het type data die uit het experiment verkregen worden - het belangrijkst zijn de nauwkeurigheid en juistheid en beide zouden bepaald moeten worden door onzekerheidskwantificering, onder andere bestaande uit het herhaaldelijk uitvoeren van experimenten. Naar aanleiding van experiment kan blijken dat de berekende resultaten van het model afwijken van de geteste werkelijkheid. Door middel van relaxatiefactoren (correctiefactoren) is het mogelijk het model zodanig aan te passen dat de berekende resultaten wel overeenkomen met de geteste werkelijkheid. Dit is in feite het kalibreren (tuning) van het model. Het gevaar van deze 'tuning' is dat het model niet meer representatief is voor andere situatie dan in het experiment is getest. Het kalibreren van een model voor de overeenstemming met bekende testresultaten is nadrukkelijk geen basis voor validatie [Gritzo et al., 2005]; alleen een programma met een minimum aan 'tuning', dat in een serie brandtesten overeenkomstige resultaten geeft, verdient vertrouwen. In bijlage 3 worden enkele vergelijkende studies beschreven die aantonen dat het essentieel is om inzicht te ontwikkelen in het toepassingsgebied en de validiteit van de gangbare programma's. Verificatie Verificatie is het onderzoek naar de juistheid van de uitkomst van de simulatie. Verificatie houdt daarmee in dat men de uitkomst van het model toetst om na te gaan of het voldoende realiteitswaarde heeft. De uitkomst van een gevalideerd model kan immers door (een combinatie van) meerdere oorzaken afwijken van de werkelijkheid [Friedman, 1992]: - er is voor de te simuleren situatie een verkeerd model gekozen - het juiste model is buiten haar gevalideerd bereik toegepast - de situatie is (veel) complexer dan het model - er zijn verkeerde invoergegevens gehanteerd

24 Voordat een (dure) simulatie wordt gedraaid wordt 'met de hand' bepaald wat de uitkomst zou moeten zijn.


41


-

in het model verwerkte (relaxatie-)factoren zijn voor de situatie in kwestie ongeschikt de computerberekening geeft een verkeerde uitkomst ten gevolge van verkeerd gekozen rekenstappen (vermazing) het vergelijk met de uitkomst van een full scale test kan beperkt zijn omdat de meting van de outputvariabelen incorrect is uitgevoerd.

Gevoeligheidsanalyse Een gevoeligheidsanalyse is een studie naar de invloed van veranderingen in de ingevoerde parameters op de berekende resultaten van een model [Peacock et al., 1998]. De voorspellingen van het model kunnen namelijk gevoelig zijn voor onzekerheden in de invoerdata, voor de mate van nauwkeurigheid van de relevante natuurkundige en scheikundige verschijnselen en voor de accuraatheid van de numerieke berekening. In een gevoeligheidsanalyse moeten daarom de volgende aspecten bepaald worden: - de belangrijkste invoervariabelen in de modellen (de 'gevoelige' variabelen, die veranderingen in de uitkomsten teweeg brengen) - de benodigde nauwkeurigheid van de invoervariabelen (met name bij de 'gevoelige' variabelen is de nauwkeurigheid van belang) - de gevoeligheid van de uitkomstdata op de variërende invoerdata. Het uitvoeren van een gevoeligheidsanalyse kan zeer bewerkelijk zijn, met name bij de complexe(re) simulatiemodellen.

3.9

Gebruik van simulaties

Ervaringen uit Zweden en Groot-Brittannië leren dat simulatiemodellen niet altijd juist worden toegepast. Uit een analyse van 46 bouwprojecten in Zweden bleek bijvoorbeeld dat de modellen die gebruikt zijn voor de risicoanalyse en –evaluatie onjuist zijn toegepast, aangezien de modellen niet geschikt waren voor het type ontwerp waarvoor deze zijn toegepast. Zo is in een aantal van de onderzochte bouwprojecten het risico op het ontstaan van een zeer ernstig incident niet in de beoordeling van de brandveiligheid meegenomen. Ook zijn bij het vergelijk van verschillende ontwerptechnische oplossingen voor de uitvoering van de regelgeving in sommige gevallen een aantal brandpreventieve uitgangspunten over het hoofd zijn gezien, zoals bijvoorbeeld de aanwezigheid van maatregelen voor het beperken van het ontstaan van brand [Lundin, 2005]. Dergelijke voorbeelden komen ook in Groot-Brittannië voor. Zo worden computermodellen vaak onjuist toegepast, terwijl in de betreffende gevallen ook een eenvoudigere berekeningsmethode gebruikt kan worden. Daartegenover staat dat in sommige risicovolle gevallen wordt teruggegrepen op simpele rekenmodellen, terwijl in die gevallen juist een complexere berekeningsmethode toegepast moet worden. Of er ontbreekt een onderbouwing van de gekozen maatregelen. Verder is geconstateerd dat het bij consultants vaak ontbreekt aan de bereidheid om tijdens het ontwerpproces een gevoeligheidsanalyse uit te voeren. Ook worden vaak niet-


42


valide software en modellen gebruikt, waarbij de onderliggende rekenmethodes niet bekend zijn [Jenkins, 2005]. Aan het gebruik van simulaties (maar ook rekenregels) voor het aantonen van gelijkwaardige brandveiligheid moeten voorwaarden worden verbonden. Er zijn immers verschillende typen simulatiemodellen die voor specifieke situaties geschikt zijn, maar niet voor alle situaties. Vaak is het voor de gebruiker niet duidelijk wat de specifieke capaciteiten, toepassingsgebieden en beperkingen van de toegepaste simulatiemodellen zijn. Ter bevordering van het wetenschappelijk onderzoek naar brand en brandbeveiliging is er een internationaal FORUM van directeuren van brandonderzoeksinstellingen25 opgericht. Dit FORUM beoordeelt ook simulatiepakketten en kan voor potentiële gebruikers als handvat dienen voor de beoordeling en eventuele keuze van een pakket. Het gebruik van simulatiemodellen als onderdeel van het besluitvormingsproces met betrekking tot de brandveiligheid van een gebouwontwerp kan door het verschil in het toepassingsgebied van simulatiemodellen leiden tot een onacceptabel ontwerp. Er zijn daarom een aantal voorwaarden te verbinden aan een acceptabel gebruik van simulatiemodellen. Simulatiemodel Allereerst is het simulatiemodel zelf van belang. Een simulatiemodel moet geschikt en betrouwbaar zijn om ondersteuning te kunnen bieden bij de besluitvorming. Een model is gerelateerd aan een specifieke situatie, en kent daarmee een afgebakend toepassingsgebied. Een model is pas geschikt wanneer de specifieke situatie waarover een besluit genomen moet worden in het toepassingsgebied van het simulatiemodel valt. Daarbij zijn modellen pas betrouwbaar wanneer deze voldoende zijn gevalideerd op de specifieke situatie(s). Methodologie van gebruik Een model werkt met vele parameters. Sommige parameters zijn variabel en kunnen door de gebruiker zelf ingevoerd worden, andere parameters zijn opgenomen als vaste waarden. Verder hebben sommige parameters een grote invloed op de simulatieresultaten, andere parameters hebben een veel kleinere invloed op de resultaten. Om een onderbouwde beslissing te kunnen nemen is het noodzakelijk dat is vastgesteld welke parameters bepalend zijn, en dat de (keuzes voor de) waarden met zorg zijn gekozen. Bovendien moet de methodologie van gebruik algemeen geaccepteerd zijn en de gebruiker aanzetten om expliciet te zijn in de te maken keuzes. De methodologie van gebruik, de aannames en de keuzes moeten zijn beschreven in een simulatierapportage opdat een weloverwogen besluit genomen kan worden. De methodologie van gebruik kan in een protocol worden vastgelegd. Dit 25

Zie http://www.bfrl.nist.gov/info/forum/forum.html


43


protocol zal gedragen moeten worden door alle partijen die betrokken zijn bij de besluitvorming. Gebruiker met kennis Een gebruiker moet voldoende competent zijn om de methodologie toe te passen in een model. Verder moet de gebruiker in staat zijn om te beoordelen of het model geschikt is voor de beoordeling van de specifieke situatie. Het kennisniveau van de gebruiker is de belangrijkste factor die de betrouwbaarheid van de uitkomst bepaalt. Behalve dat voorwaarden moeten worden gesteld aan het gebruik van simulatiemodellen is het noodzakelijk dat de gebruikers en toetsers van simulatiemodellen kennis hebben van en inzicht hebben in de uitgangspunten van brandbeveiliging. Ofwel de gebruikers en toetsers moeten in staat zijn om te denken vanuit veiligheidsconcepten. Dit betekent onder andere dat zij in staat moeten zijn om een risicobeoordeling uit te kunnen voeren, en bekend moeten zijn met diverse methoden voor risicobeoordeling. Dit is een geheel andere benadering van brandpreventie dan de huidige Nederlandse benadering die is toegespitst op de "checklistcontrole" van duidelijk omschreven en toetsbare prestatie-eisen. Onafhankelijke verificatie Beard [2005] stelt dat het noodzakelijk is om onafhankelijke beoordelingen uit te voeren op de simulatiemodellen. Deze beoordelingen moeten een rationele en uitgebreide basis hebben en leiden tot verantwoorde conclusies. Deze beoordelingen moeten uitgevoerd worden door een onafhankelijk instituut, dat vaststelt onder welke condities een model toegepast kan worden. Hierbij wordt door Beard opgemerkt dat een interactie van het onafhankelijke instituut met lokale beleidsmakers, zoals bouwen woningtoezicht en brandweerkorpsen, wenselijk is. Overigens wordt met 'onafhankelijk' hier gedoeld op het feit dat het instituut zelf geen (financieel) belang heeft in de kwalificatie van specifieke simulatiemodellen. Verder moet door dit instituut een methodologie van gebruik vastgesteld worden en moeten de competenties van 'geaccepteerde gebruikers' vastgesteld worden. Competenties moeten onder andere gericht zijn op de aanwezigheid van kennis van Fire Safety Science (op hoofdlijnen) en op de aanwezigheid van gedetailleerde kennis van het simulatiemodel dat door deze gebruiker toegepast wordt [Beard, 2005]. De veiligheidsconcepten die voor simulatie kunnen worden toegepast moeten (voor de Nederlandse situatie) nog ontwikkeld en geïmplementeerd worden. Uit ervaringen in Zweden en Groot-Brittannië is gebleken dat het bij de invoering (en toepassing) van veiligheidsconcepten noodzakelijk is om de juiste randvoorwaarden te scheppen. De randvoorwaarden zijn [Lundin, 2005]: - de partijen die de concepten gaan gebruiken moeten het belang van de concepten onderkennen


44


-

-

26

er moeten duidelijke routines en gebruiksvriendelijke beoordelingsinstrumenten beschikbaar zijn om een implementatie van de nieuwe concepten mogelijk te maken in de opleiding van (nieuwe) professionals26 moeten de nieuwe concepten een integraal onderdeel van het vakgebied vormen de wetenschappelijke uitgangspunten voor de brandveiligheid van verschillende typen gebouwen moeten duidelijk zijn de beoordelingsinstrumenten, zoals praktijkrichtlijnen en simulatiesoftware, moeten door de overheid zijn geverifieerd.

Waaronder toetsers/handhavers en adviseurs op gebied van brandpreventie.


45


4. Simulatiesoftware

Tal van simulatiemodellen zijn wereldwijd beschikbaar op de vakgebieden van brandontwikkeling, evacuatie en interventie. In dit hoofdstuk wordt de beschikbare simulatiesoftware (paketten) op genoemde vakgebieden gepresenteerd en beschouwd. Het gaat er hierbij om de state-of-the art software te prensenteren, en dus niet om een wereldwijd compleet overzicht. Met behulp van gegevens van het FORUM wordt de state-of-the-art in beeld gebracht. Het Forum for international Cooperation on Fire Research (FORUM) initieert wereldwijd onderzoek naar gangbare computerprogramma's voor de simulatie van brand. Bij de laatste survey (2003) zijn 186 programma's gevonden uit een tiental landen [Olenick en Carpenter, 2003]. De programma's betreffen simulaties van branden in een compartiment, sprinklereffectsimulaties en submodellen voor de bepaling van brandduur, gebouwevacuatie, het aanspreken van detectoren, branduitbreiding langs wanden en rookverspreiding. In paragraaf 4.1 komen modellen op het gebied van branden rookontwikkeling aan bod. Evacuatiemodellen worden besproken in paragraaf 4.2 en interventiemodellen in 4.3. In paragraaf 4.4 wordt de integratie van diverse modellen gepresenteerd. Voor elk vakgebied wordt de simualtiesoftware beschreven op de aspecten: - Typen modellen - De state-of-the-art software - Beperkingen van de modellen.

4.1

Brand- en rookontwikkeling

4.1.1 Typen modellen In de literatuur zijn tientallen modellen te vinden met betrekking tot de simulatie van allerlei (brand)processen. Al deze modellen zijn terug te leiden naar twee basismodellen, het zonemodel en het veldmodel. Alhoewel de meest complexe simulaties op basis van het veldmodel worden gemodelleerd heeft het zonemodel zeker nog niet afgedaan. Naast deze twee basismodellen zijn er nog enkele tientallen modellen of rekenregels voor eenvoudige, op één of een beperkt aantal vergelijkingen berustende fysische processen. In dit rapport wordt hier slechts summier aandacht aan besteed. Hieronder worden zone- en veldmodellen besproken. Zonemodel De simpelste, en mede daardoor de snelste simulatoren, definiëren slechts twee zones in een compartiment, de zone met de hete gassen, de bovenlaag en een koude onderlaag, zie figuur 4.1. Deze modellering is afgeleid van het algemeen bekende gegeven dat in een brandruimte dicht bij de grond de lucht het koelst is en het zicht het grootst.


46


En tegen het plafond verzamelen zich de hete rookgassen. Dit model wordt het zonemodel (zone model) genoemd. Temperatuur en andere fysische kenmerken worden verondersteld door de hele laag uniform te zijn. Het aantal lagen kan, ten koste van de rekentijd, opgevoerd worden waardoor de nauwkeurigheid van de simulatie toeneemt; men spreekt nu van een meerlagen zonemodel (multi-layer zone model). Afhankelijk van het doel van de simulatie en de beschikbare computerkracht worden keuzes gemaakt ten aanzien van de te berekenen fysische kenmerken, de daarvoor te gebruiken formules en de keuze van de parameters in die formules [Shigunov, 2005].

luchtstroom

luchtstroom

warmtetransport (convectie en straling)

rookpluim vlam

branden de stof

nog niet brandende brandbare stof

Figuur 4.1 - Schematische weergave van het warmtetransport in een brandruimte

Bij het zonemodel en het multi-layermodel wordt voor een brandcompartiment twee of meer uniforme zones gedefinieerd. Binnen elke zone of laag heersen de continuïteitswetten betreffende behoud van massa en energie27. Een Bernoulli vergelijking wordt gebruikt om het warmtetransport tussen de koude benedenlaag en de warme bovenlaag te berekenen, gebruik makend van drukverschillen. De rookpluim (zie figuur 3.3) wordt dus beschouwd als een 'warmtepomp'. In werkelijkheid is er geen vaste (rook)kolom tussen de lagen maar zal de interactie tussen de lagen over het hele grensvlak optreden. Het zonemodel voorspelt niet de meest kritische parameter: de brand zelf. De brand wordt als inputgegeven ingevoerd namelijk als toegevoerde warmte per tijdseenheid. De inputdata worden in experimentele branden bepaald [Forney et al., 2003].

27

Overigens wordt de behoudsvergelijking voor impuls hierbij niet volledig opgelost.


47


Zonemodelvoorspellingen kunnen op een gewone PC binnen minuten een voorspelling opleveren omdat ze maar vier differentiaalvergelijkingen per kamer oplossen, te weten: - impuls - energie - temperatuur - massa. Het zonemodel voorspelt de hoogte van de scheidingsvlak tussen de lagen. Het voorspelt de gastemperatuur in de laag vrij goed omdat hete gassen zich immers aan het plafond verzamelen; dit wordt het drijfvermogeneffect (buoyancy effect) genoemd. Voor de hele bovenlaag wordt slechts één temperatuur voorspeld. In werkelijkheid zal echter, afhankelijk van de afmeting van de ruimte, de temperatuur binnen de lagen verschillen waardoor de warmtestroming veel complexer is dan in dit model gesimuleerd wordt. Het model is ook ontoereikend wanneer de geometrie van een ruimte gecompliceerd is en wanneer ventilatiestromingen een rol spelen. Veldmodel (field model/ CFD) Een nauwkeuriger simulatie van de werkelijkheid krijgt men wanneer het brandcompartiment in tientallen tot miljoenen geometrische cellen wordt opgedeeld. Deze wijze van modeleren wordt aangeduid met veldmodellen (field model). Voor elke cel worden de fysische kenmerken van het, tussen de cellen getransporteerde gas, berekend. Behalve massa en temperatuur zijn dat de bewegingsrichting en – snelheid van de gasdeeltjes, druk en de mengverhouding van de componenten van het gas (o.a. het zuurstofgehalte). De rekentijd voor een simulatie van het proces in een complexe ruimte, dat in werkelijkheid slechts één minuut duurt, kan enkele dagen bedragen. Bij het veldmodel worden de behoudswetten van massa, temperatuur, energie en impuls per veld berekend. De berekende interactie tussen de velden geeft een meer realistische uitkomst dan een zonemodel. Dit model kan voor complexere ruimten worden toegepast en zelfs voor openluchtsituaties. Aanvullende modellen beschrijven andere fysische processen zoals het verbrandingsproces, ventilatiestromen, brandpluimen en warmtetransport door straling, convectie en geleiding. De combinatie van deze submodellen en de zonevergelijkingen kunnen geïntegreerd worden met de Runge-Kutta methode voor gastemperatuur en gasmengverhoudingen van elke laag voor elke tijdstap. De CFD-techniek is nog volop in ontwikkeling. Novozhilov [2001] beschrijft deze ontwikkeling uitvoerig, daarbij de prestaties van de zonemodellen afzettend tegen de veldmodellen. Binnen de veldmodellen maakt hij vervolgens een vergelijk tussen de modellering volgens het Reynoldsmiddeling / Navier-Stokesvergelijkingen (RANS-model) en de Large Eddy Simulation (LES). Uit zijn analyse is op te maken dat op alle niveaus in het model en de submodellen aannames gemaakt worden en beperking aan het


48


bereik gesteld worden. Voor een goed inzicht in de validiteit van brandsimulaties is tenminste kennis van deze beperkingen vereist [Novozhilov, 2001]. Het fenomeen branduitbreiding is op het ogenblik het grootste en belangrijkste probleem voor de simulatieontwikkelaars. Bovendien is de branduitbreiding erg relevant in het kader van het concept beheersbaarheid van brand. Daarnaast wordt ingezet op het voorspellen van de samenstelling van verbrandingsgassen, in het bijzonder de verhouding van giftige, levensbedreigende componenten. Tenslotte is de CFD-techniek onvermijdelijk wanneer het blusproces bij de simulatie wordt betrokken (wegens de complexiteit van de interactie). Overige modellen Het betreft hier programma's voor de berekening van weerstand tegen branddoorslag, het berekenen van het moment dat een ruit het begeeft, temperatuurverloop in een hittewerende constructie, mechanisch gedrag van een staalconstructie, et cetera. Sommige zijn apart te gebruiken, andere maken deel uit van een zone- of veldmodel. De keuze van de te hanteren modelleringswijze dient zorgvuldig plaats te vinden. De karakteristieken van het constructie-element waarop de simulatie betrekking heeft kan namelijk per programma verschillen [Olenick & Carpenter, 2003; Cui & Chow, 2005]. Alhoewel op CFD gebaseerde brandsimulatoren voor complexe situaties en modelleringsopgaven als maar meer toepassing vinden, kunnen eenvoudige vraagstukken berekend worden met behulp van eenvoudige rekenmethoden (zie ook hoofdstuk 3, paragraaf 3.9). In tabel 4.1 is een overzicht gegeven van beschikbare softwarepakketten voor brandsimulatie. Voor meer informatie wordt verwezen naar de websites www.fireforum.be en www.firemodelsurvey.com.

FLUENT ANSYS-CFD STAR-CD JASMINE SOFIE COMPUT-IT OZONE BRANZFIRE

Softwarepakketten NIST FDS FIRST FASTLite CFAST CCFM ASMET ASET-B ASCOS

Tabel 4.1 – Overzicht brandmodellen [SURVEY, 2006; FIREFORUM, 2006; Martínez et al., 2003]


49


In 1995 heeft de Stichting Bouw Research in samenwerking met TNO een effectenstudie verricht naar de verspreiding van rook en warmte in gebouwen met een gevalideerd veldmodel. Hiermee was dit in Nederland een van de eerste gedetailleerde studies naar de inzetbaarheid van een veldmodel. Voor het onderzoek is het door TNO ontwikkelde VESTA gebruikt. In 1985 is men gestart met de ontwikkeling van een veldmodel en had als primair toepassingsgebied ventilatie en binnenklimaat, dit programma stond bekend onder de naam WISH. Later is het programma ook voor industriële verbranding en brand in gebouwen beschikbaar gesteld onder de naam VESTA. Met het onderzoek werd aangetoond dat met behulp van VESTA een gedetailleerd inzicht verkregen kan worden van de verspreiding van rook en warmte bij brand in gebouwen [Van der Leur & Van Oerle, 1995]. 4.1.2 State-of-the-art software Olenick en Carpenter [2003] publiceren periodiek een up date van modellen/programma's die onder de vlag van het FORUM for International Cooperation on Fire Research, kortweg FORUM, gevalideerd zijn of worden. Van elk programma worden de volgende gegevens vastgelegd [Olenick & Carpenter, 2003; SURVEY, 2006]: - algemene informatie zoals de modelnaam, het versienummer, jaar van de laatste up date, classificatie i.c. zone- of veldmodel, een korte beschrijving en de naam van de ontwerper(s) / het bedrijf; - informatie over de gebruiksaspecten zoals referenties, met name de gebruikershandleiding, technische referenties en referenties betreffende de validatie, gebruiksvriendelijkheid, site waar het programma van te downloaden is, eventueel de kostprijs en informatie betreffende de te gebruiken computer (besturingsprogramma, programmeertaal en rekenkracht); - informatie over de in te voeren data, de output, onderliggende rekenmethode en rekenregels en de beperkingen. 4.1.3 Beperkingen van brandmodellen Zonemodel/ meerlagenmodel (zone model/ multi-layer model) Bij het zone- en het meerlagenmodel wordt de toestand binnen elke laag uniform verondersteld. Het zone- en het meerlagenmodel is daarmee slechts een zeer vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid. In de werkelijkheid ontwikkelt een brand zich immers dynamisch door een ruimte. Veldmodel (inclusief CFD) Met het veldmodel en zeker met de CFD-rekentechnieken kunnen complexe situaties worden gesimuleerd waaronder ook scenario's die zich in de buitenlucht afspelen. De keerzijde van de inspanning om de werkelijkheid zo goed mogelijk te benaderen is, dat er veel inputgegevens nodig zijn. Deze moeten allemaal getoetst worden op validiteit. Een andere beperking van de CFD-rekentechniek is dat een simulatie vaak veel rekentijd en daarmee veel geld kost. Vanuit kostenoverweging worden dan ook in beperkte mate diverse


50


variantenberekeningen uitgevoerd. Een variantenberekening kan toegepast worden voor een gevoeligheidsanalyse of voor de toetsing van het effect bij verschillende scenario's. FDS (CFD-model) De FDS voorspelt rook en/of warmtestromingen, veroorzaakt door brand, wind, ventilatiesysteem en andere factoren, door vergelijkingen op te lossen betreffende vloeistofstromen, bekend als de Navier-Stokes vergelijkingen. Het nadeel is dat de berekeningen dagen kunnen duren omdat er voor veel variabelen berekeningen gemaakt moeten worden in elk van de miljoenen cellen. Wegens de enorme omvang van de output (meer dan 1 Gbyte) is een visualisatietool noodzakelijk; een voorbeeld hiervan is Smokeview van NIST. FDS gebruikt een vorm van CFD die bekend staat als Large Eddy Simulation (LES). LES beschrijft het effect van turbulentie in een stromingsveld. Turbulentie is het mechanisme waardoor gassen zich over verschillende afstanden mengen. De brand zelf wordt niet gesimuleerd wegens het grote aantal verschillende verbrandingsproducten die bij het verbrandingsproces zijn betrokken. In FDS wordt de brand gesimplificeerd dat de brand een reactie is van een brandstof en zuurstof; uit experimenten wordt de snelheid van energielevering bepaald. Bij FDS wordt een ruimte in vele rekencellen (grid) opgedeeld waarna de dichtheid, snelheid, temperatuur, druk, en concentratie berekend wordt op basis van de behoudswetten voor massa, impuls en energie. Het aantal rekencellen waarin een ruimte wordt opgedeeld bepaalt de kwaliteit (vergelijkbaar met het aantal pixels per vierkante centimeter bij foto's). Een krachtige PC kan een paar miljoen cellen aan. Het grid en de stroomsnelheid bepalen de tijdstappen. Deze wordt door FDS zo gekozen dat een stroming niet binnen de tijdstap meer dan een cel passeert. Simulaties kunnen daarom weken duren. Ter indicatie: een stadswoning kost ongeveer 35 CPU uren op een 2.4 GHz PC bij een grid van ongeveer 0,1 meter.

4.2

Evacuatie

4.2.1 Typen modellen De evacuatie simulatiemodellen kunnen vanuit verschillende perspectieven onderverdeeld worden. Allereerst is een onderverdeling mogelijk naar de gesimuleerde situatie. Ten tweede kunnen de modellen onderverdeeld worden naar het perspectief van benadering van de evacuatieproblematiek. Andere onderverdelingen zijn als derde de weergave van de ruimte, als vierde de weergave van de personen en tot slot de benadering van het evacuatiegedrag. Hieronder wordt elk van deze vijf perspectieven kort beschreven.


51


Onderverdeling naar gesimuleerde situatie Helbing et al [2001] stellen dat er verschil is in simulatie van loopbewegingen bij normale situaties en bij noodsituaties..De overgang tussen 'rationeel' normaal gedrag en 'irrationeel' gedrag bij paniek28 wordt beïnvloed door de parameter 'nervositeit'. Deze parameter heeft vervolgens weer invloed op de interacties tussen mens-mens, mens-gebouw en mens-brandontwikkeling. Dit wordt het 'social force concept' genoemd. De granular flow theory is op dit concept gebaseerd. In het social force concept wordt – bij loopbewegingen in normale situaties - rekening gehouden met de neiging van personen om een bepaalde afstand te houden tussen andere personen en objecten (repulsive social force). Ook wordt rekening gehouden met tijdafhankelijke attractieve interacties richting vluchtrouteaanduidingen en dergelijke29 (attractive social force). Verder is het fenomeen van 'samen uit, samen thuis' in het social force concept meegenomen, ofwel het fenomeen dat bijvoorbeeld familieleden elkaar weer opzoeken wanneer zij elkaar tijdens de evacuatie uit het oog verliezen (joining behavior force). In noodsituaties wordt bovendien rekening gehouden met duwbewegingen (physical interaction forces) en met 'repulsive social forces' die veroorzaakt worden door een vuurfront [Helbing et al., 2001]. Er bestaan voetgangersmodellen waarin naast de simulatie van het loopgedrag in normale situaties ook het evacuatiegedrag in noodsituaties is opgenomen. Onderverdeling naar perspectief van benadering Gwynne et al [1999] maken een onderverdeling van modellen door het verschil in perspectief te benoemen van waaruit het evacuatieprobleem wordt benaderd. Er zijn drie perspectieven te onderscheiden, namelijk de benadering vanuit: - optimalisering - simulatie - risicobeoordeling. In optimaliseringmodellen wordt er van uitgegaan dat de evacuatie zo efficiënt mogelijk verloopt. Hierbij wordt aangenomen dat de gekozen route de meest korte is, dat de capaciteit van uitgangen optimaal is, en ook de doorstoomkarakteristieken van de mensen die geëvacueerd worden. De groep evacués wordt hierbij als een homogene massa beschouwd, zonder rekening te houden met individuele karakteristieken en gedragskenmerken. In simulatiemodellen wordt ook het gedrag van mensen tijdens evacuaties meegenomen. Deze modellen proberen naast de verplaatsing van de personen ook het proces van besluitvorming en het zoeken van de route naar een veilige omgeving in het model mee te nemen. Risicobeoordelingmodellen zijn simulatiemodellen waarin ook de effecten van brand, rook en hitte op de

28 Tijdens het congres PED2005 is gesproken over termen en definities. Zo is het niet juist de term 'panic' (paniek) te gebruiken in het vakgebied van evacuatieonderzoek. Wanneer men spreekt over het type gedrag in noodsituaties moet de term 'emergency behavior' worden toegepast. Dit omdat de definitie van 'panic' refereert aan irrationeel gedrag, terwijl uit evaluaties van evacuaties is gebleken dat het gedrag bij noodsituaties niet irrationeel is. 29 Window displays, sights or special attractions


52


evacués is meegenomen [Gwynne et al., 1999]. Deze onderverdeling in benadering is van belang bij de beoordeling van de uitkomsten van de simulatie, aangezien het toepassingsgebied afhankelijk is van de type benadering van het model. Onderverdeling naar weergave van de ruimte Verder kan er een onderverdeling gemaakt worden in de manier waarop de ruimte wordt weergegeven. Er zijn twee manieren, namelijk het gebruik van een fijn netwerk en het gebruik van een grof netwerk. Een fijn netwerk verdeelt de ruimte in een aantal gridcellen waar de personen in en uit bewegen. De vorm en omvang van de cellen verschilt per model. Een grof netwerk gebruikt de geometrische structuur van het gebouw(ontwerp) [Gwynne et al., 1999]. Dit verschil in de fijnmazigheid van het netwerk is van belang voor de nauwkeurigheid van de simulatie en voor de benodigde rekenkracht van het programma. Onderverdeling naar weergave van de personen Een andere onderverdeling kan gemaakt worden in de manier waarop de aanwezige personen worden beschouwd. Dit kan vanuit een individueel gezichtspunt of vanuit een groepsperspectief. Bij de eerste methode wordt onderscheid gemaakt in het evacuatiegedrag van verschillende personen. Bij de laatste methode worden de evacués als een massa beschouwd en kan het effect van brand, rook en hitte op de evacués niet worden meegenomen. [Gwynne et al., 1999] Onderverdeling naar rekenkundige theorieën Ook is er een classificatie mogelijk door een onderverdeling te maken in het perspectief van waaruit het menselijke gedrag wordt beschouwd. Deze gedragsperspectieven kunnen onderscheiden worden door de rekenkundige wijze van modellering te beschouwen. De evacuatiesimulatiemodellen zijn gebaseerd op drie verschillende rekenkundige theorieën, te weten (termen in Engels) [Helbing et al., 2001]: - gas-kinetic theory - fluid-dynamic theory - microsimulation / granular flow theory. Bij de gas-kinetic theorie wordt uitgegaan van vrije bewegingen en van een bepaalde gewenste onderlinge afstand tussen personen (en objecten). Deze theorie is toepasbaar op situaties met een lage bezettingsgraad, en niet op evacuaties. Bij een gemiddelde en hoge bezettingsgraad, dus in geval van (gedwongen) evacuatie, moet de fluid dynamic en granular flow theory worden toegepast. Bij de fluid dynamic theorie wordt onder andere uitgegaan van het natuurkundige fenomeen van schokgolven, zoals die bij duwbewegingen in mensenmassa's worden waargenomen. Bij de granular flow theorie wordt onder andere uitgegaan van het fenomeen van segregatie en stratificatie, zoals die bij bewegingen van mensenmassa's worden


53


waargenomen in de vorm van rijvorming en het 'zandlopereffect' nabij bottlenecks (deuren en dergelijke) [Helbing et al., 2001]. Tauböck [2005] maakt onderscheid tussen vier verschillende typen van modellering: - equation-based, waarbij de 'agents' (gesimuleerde personen) op basis van wiskundige vergelijkingen in een ruimte bewegen, zonder rekening te houden met obstakels - Cellular Automata (CA), hierbij wordt een ruimte opgedeeld in zeshoekige cellen en bewegen de 'agents' van cel naar cel - agent-based, hierbij bewegen de 'agents' volgens de methode van vectoren ten opzichte van andere 'agents' - discrete event system (DEVS), hierbij doorlopen de 'agents' processen van tijdsgerelateerde gebeurtenissen (time events). Dit kan zowel op microscopisch als op mesoscopisch niveau worden toegepast. Santos & Aguirre [2004] komen tot eenzelfde onderverdeling en voegen daar een vijfde type aan toe, te weten modellen waarin sociaal wetenschappelijke processen zijn opgenomen. Gwynne et al. [1999]onderscheiden vijf verschillende rekenkundige wijzen van modellering: - geen gedragsregels – modellen waarin alleen de bewegingsaspecten zijn meegenomen - impliciet gedrag – modellen die het gedrag proberen weer te geven door rekening te houden met reactietijd of persoonlijke kenmerken, die gebaseerd zijn op secundaire data en psychologische en sociale invloeden omvatten - functionele analogie – modellen waarin een set van vergelijkingen wordt toegepast op de gehele populatie; de vergelijkingen bepalen volledig de reactie van de populatie; meestal zijn de vergelijkingen overgenomen uit een ander vakgebied, bijvoorbeeld uit de natuurwetenschappen - op regels gebaseerd (conditioneel) gedrag – modellen waarin besluiten genomen kunnen worden die gebaseerd zijn op een vooraf gedefinieerd set van regels; deze regels zijn gebaseerd op een "if, then" methode; de meeste op regels gebaseerde modellen zijn stochastisch - artificial intelligence (AI) – modellen die de menselijke intelligentie proberen te simuleren. Hierna, in figuur 4.2, zijn een aantal state-of-the-art softwarepakketten voor evacuatiesimulaites gerubriceerd volgens de drie verschillende perspectieven van benadering en vervolgens nader onderverdeeld in de manier waarop de ruimte wordt weergegeven (grof/fijn netwerk), vervolgens in de manier waarop de aanwezige personen worden beschouwd (individu/groep) en tot slot in het perspectief van waaruit het menselijke gedrag wordt beschouwd.


54


EVACUATIEMODELLEN Simulatie Bgraf Egress EvacSim Exitt

Magnet Simulex E-Scape Donegan

Exit 89 Exodus Paxport Vegas

Individueel perspectief Bgraf Magnet Egress Simulex Exodus Vegas

Risicobeoordeling

Evacnet + Takahashi

Crisp WayOut

Grof netwerk

Grof netwerk

Grof netwerk

Exitt Exit 89 E-Scape Paxport Donegan Evacsim

Evacnet + Takahashi

Crisp WayOut

Fijn netwerk Magnet Bgraf Egress Simulex Exodus Vegas

Optimalisatie

Individueel perspectief

Massa perspectief

Massa perspectief

Massa perspectief

Individueel perspectief

E-Scape EvacSim Exitt

Donegan Paxport Exit 89

Evacnet + Takahashi

WayOut

Crisp

Artificial Intelligence

Functionele analogie

Egress Vegas

Magnet

Gedragsregels

Impliciet

Gedragsregels

Bgraf Exodus

Simulex

E-Scape EvacSim Exitt

Impliciet Paxport Exit 89

Artificial Intelligence Donegan

Geen gedragsregels

Functionele analogie

Evacnet +

Takahashi

Impliciet

Gedragsregels

WatOut

Crisp

Figuur 4.2 - Evacuatie simulatie methodologie [Gwynne et al., 1999]

In figuur 4.2 is allereerst de onderverdeling gemaakt naar het perspectief van de benadering van de modellen, te weten simulatie, optimalisatie en risicobeoordeling. Vervolgens is een opdeling gemaakt in de weergave van de ruimte in de modellen, te weten met gebruikmaking van een grof of een fijn netwerk. Daarna is een opdeling gemaakt in de weergave van de personen, te weten vanuit individueel perspectief of opgevat als een homogene massa. Tot slot zijn de modellen onderverdeeld naar gedragsperspectieven, te weten impliciet gedrag, functionele analogie, op regels gebaseerd (conditioneel) gedrag, artificial intelligence (AI) en modellen zonder gedragsregels. Voor een toelichting op de verschillende onderverdelingen en de genoemde termen wordt verwezen naar paragraaf 4.2.1. In tabel 4.2 is een overzicht gegeven van beschikbare evacuatiesoftware. Voor meer informatie wordt verwezen naar de volgende websites: www.fire.org.nz/building/human_behaviour/simulate.htm, www.fireforum.be en www.firemodelsurvey.com


55


AEA EGRESS Allsafe ASERI BuildingEXODUS CRISP EGRESSPRO EVACNET4 EvacuatioNZ GridFlow

Softwarepakketten NOMAD PaxPort PEDROUTE SGEM SimPed SIMULEX STEPS VEGAS WAYOUT

Tabel 4.2 – Overzicht evacuatiemodellen [FORUM, 2006; SURVEY, 2006; Hanea, 2003]

4.2.2 State-of-the-art software Zoals hiervoor geschetst zijn verschillende onderverdelingen mogelijk, die allen toepasbaar zijn in verschillende situaties. Welke type model het best toepasbaar is op een specifieke situatie is bijvoorbeeld afhankelijk van het doel van de simulatie en/of van de mate van zekerheid van de invoerwaarden. Indien simulatie wordt toegepast voor de beoordeling van gelijkwaardigheid ten opzichte van weten regelgeving, moeten de uitgangspunten in de simulatie overeenkomen met de uitgangspunten van de weten regelgeving. Deze uitgangspunten hoeven niet gelijk te zijn aan het evacuatiegedrag zoals die uit incidentevaluaties of praktijkstudies is gebleken. Indien simulatie wordt toegepast om het werkelijke evacuatiegedrag te voorspellen, kan gekozen worden voor meer geavanceerde modellen. De rekenkundige theorie van microscopische simulatie / granular flow theory is het meest geavanceerd, aangezien simulaties volgens deze rekenkundige theorie het meest overeenkomen met de bewegingen in mensenmassa’s zoals die bij werkelijke incidenten en evacuatie-experimenten worden waargenomen. Bovendien is het met microscopische simulatie / granular flow theory mogelijk rekening te houden met individuele gedragsaspecten bij evacuaties. Hoogendoorn et al. [2005] onderscheiden drie generaties microscopische loopmodellen (termen in Engels): - Social forces models - NOMAD is een dergelijk model. Het is een microscopisch loopmodel. Dit model is het basismodel dat na experimenten is uitgebouwd tot een 'anisotropic retarded model'. - Anisotropic models - Dit model houdt rekening met het gezichtsveld van de individuen (agents) in het simulatiemodel. De andere personen in het gezichtsveld van de


56


-

individuen zijn bepalend voor de reacties met betrekking tot looprichting, aangezien 'agents' niet met elkaar willen botsen. Anisotropic retarded models Dit model houdt rekening met een vertraagde reactietijd op het ontruimingssignaal.

Santos en Aguirre [2004] beschouwen EXODUS, ASERI en CRISP als de meest uitgebreide evacuatiemodellen omdat in deze modellen rekening wordt gehouden met multi-dimensionale factoren die de besluitvorming (van evacués) tijdens evacuatie beïnvloeden. In EXODUS is bovendien een submodel opgenomen die de impact van rook(gassen) op mensen berekent en zijn twee parameters opgenomen waarmee het vermijdingsgedrag van evacués bij opstoppingen in looproutes en nabij uitgangen wordt gesimuleerd [Santos & Aguirre, 2004]. EXODUS is één van de modellen die uitgaan van redelijk realistische evacuatiescenario’s. Evenals ASERI, waarin parameters met betrekking tot gedragsaspecten van evacués zijn opgenomen zoals leeftijd, geslacht, fitheid en speciale kennis van het gebouw. Ook kan het proces van ‘zoeken naar informatie’ over het gevaar en het ‘informeren van anderen’ gesimuleerd worden. Dit type van sociale onderlinge afhankelijkheid, hoewel nogal beperkt gemodelleerd in ASERI, is cruciaal voor elk willekeurig simulatiemodel. Verder is het mogelijk een vertraagde reactietijd in te bouwen, bijvoorbeeld om rekening te houden met het aankleden van evacués die tijdens de slaap worden verrast door een incident of om de verminderde alertheid van evacués met een hoog stressniveau te simuleren. In CRISP3 is een soortgelijke simulatie mogelijk doordat de sociale rol van evacués (bezoeker/werknemer etc.) en data met betrekking tot het type gebruik kan worden ingevoerd. Ook is het mogelijk waarschijnlijkheidsberekeningen uit te voeren waarmee de benodigde tijd van een veelheid van aanvullende acties van brandweerpersoneel en evacués kan worden bepaald. Voorbeelden van aanvullende acties zijn het doorzoeken van ruimtes, het doen van onderzoek of zelfs het afmaken van de actie waarmee de evacué bezig was vlak voor het moment van evacuatie [Santos en Aguirre, 2004]. 4.2.3 Beperkingen van evacuatiemodellen De overeenkomst tussen de programma's EXIT89, EXODUS, EGRESS, EVACSIM en SIMULEX is dat deze de evacuatieprestaties van aanwezigen in een gebouw bepalen aan de hand van een bepaalde gebouwindeling, het type van gebruik en een specifiek (evacuatie)scenario [Pires, 2005]. Pires [2005] stelt echter dat deze simulatiemodellen gebrekkig zijn met betrekking tot de parameters die de nauwkeurigheid van de uitkomsten bepalen. Het gedrag van mensen, dat het gevolg is van een individueel besluitvormingsproces, is volgens Pires namelijk niet in de modellen meegenomen [Pires, 2005]. Santos en Aguirre [2004] stellen echter dat het gedrag van mensen in EXODUS wel is meegenomen en Gwynne et al [1999] stellen bovendien dat in EXODUS,


57


EGRESS, EVACSIM en SIMULEX wordt uitgegaan van een individueel perspectief. Flow based (of equation-based) modellen, zoals EESCAPE en EGRESSPRO, zijn alleen toepasbaar om de doorstroming tijdens een evacuatie te voorspellen, omdat in deze modellen geen rekening wordt gehouden met het sociale gedrag van individuele evacués [Santos & Aguirre, 2004]. Uit de review van agent based modellen (zoals SIMULEX, EXIT89 en GridFlow) en van flow based modellen kan worden geconcludeerd dat zowel de ‘fluid mass’ als de ‘atomized individual’ in of buiten een groep niet de enige referentie voor evacuatiesimulatie en onderzoek zou moeten zijn. Zelfs als een reeks van sociaal relevante factoren kunnen worden ingevoerd, zoals in ALLSAFE, is het niet mogelijk sociale interactie tussen evacués te simuleren [Santos & Aguirre, 2004]. Verder is de invloed van gebouwkenmerken op de ontruimingstijd (zie figuur 2.8) niet of nauwelijks in de evacuatiemodellen meegenomen. De doorstromingskenmerken van deuren en gangen zijn wel opgenomen, maar invloeden als driedimensionale zichtlijnen en ruimtelijke complexiteit bijvoorbeeld niet. De evacuatiemodellen zijn namelijk rekenkundig opgebouwd uit tweedimensionale plattegronden, soms met elkaar verbonden via trappen en soms driedimensionaal gevisualiseerd (zie figuur 4.3). Gezien de bovengenoemde beperkingen, is de benadering van het werkelijke evacuatiegedrag in veel van de modellen dan ook beperkt te noemen.

Figuur 4.3 – Evacuatiemodellen rekenen in essentie in 2D (figuur links: Simulex, figuur rechts: BuildingEXODUS)


58


4.3

Interventie

Brandveiligheid is een systeem van maatregelen waarin onder andere brandpreventieve (of beschermende) maatregelen en de repressieve inzet van hulpverleningsdiensten op elkaar zijn afgestemd. In het kader van het onderzoek naar de mogelijkheden en beperkingen van simulatie van brand en het evacuatieproces wordt de interventie in rook- en warmteontwikkeling onderscheiden naar: - automatische interventie door systemen/installaties (zoals brandmeldinstallatie, sprinkler) en - interventie door de brandweerinzet. In relatie tot simulatiemodellen die gerelateerd zijn aan een gebouwontwerp, is interventiesimulatie nog nauwelijks ontwikkeld en daarom ook niet uitgebreid in de markt aanwezig. Hierna volgt een korte uiteenzetting van de rekenmodellen en de state-of-the-art simulatiemodellen. 4.3.1 Brandbeveiligingsinstallaties De fundamentele basisprincipes van de ontwikkeling en beheersing van warmte en rook is terug te vinden in de uitgebreidere beschrijving van de CFD techniek in paragraaf 2.5. Bij het simuleren van de effectiviteit van sprinklers zijn de volgende parameters van belang: 1. Het voorspellen van de reactietijd (RTI) aan de hand van detector respons modellen, 2. Berekenen van het gedrag van de waterdruppels 3. Berekenen van het gedrag van het water op het moment dat het in aanraking komt met de bron en omgeving 4. Massa en energietransformatie van waterdruppels. Typen modellen Brandbeveiligingsinstallaties binnen gebouwen worden geavanceerder en intelligenter en mede hierdoor effectiever in het detecteren of bestrijden van brand. De brandbeveiligingsinstallaties kunnen worden onderverdeeld in actieve systemen en passieve systemen. De passieve systemen detecteren brand terwijl de actieve systemen daadwerkelijk invloed uitoefenen op 'het gedrag' van brand en rook. Door het complexer worden van gebouwen en de intrede van prestatiegericht bouwen is de rol van de brandbeveiligingsinstallaties de laatste jaren prominenter dan ooit tevoren. Het Bouwbesluit geeft in het kader van het prestatiegericht bouwen ruimte voor gelijkwaardige oplossingen. Brandbeveiligingsinstallaties bieden vaak de oplossing om op een alternatieve manier aan de gestelde prestaties te voldoen. In Nederland moeten de brandbeveiligingsinstallaties voldoen aan ontwerp-, onderhoud- en installatie-eisen (NEN normering). Voor complexe situaties is


59


echter meer inzicht nodig in de werking van de installaties. Dit komt mede door het feit dat de installaties worden gebruikt als vorm van gelijkwaardigheid binnen een integraal veiligheidsconcept. Het is dan essentieel om te weten of een installatie de brand binnen een bepaalde tijd detecteert en of bijvoorbeeld een sprinklersysteem werkelijk effectief is in het beheersbaar houden van een beoogde brand. Tevens hebben de installaties effect op de aansturing van andere installaties of de ontvluchting van personen. Het effect van de installaties kan door daadwerkelijke beproeving getest worden maar in veel gevallen is dit te duur en onhaalbaar. Door technologische ontwikkelingen op ICT gebied is het nu mogelijk via simulatietechniek een inschatting maken van de te verwachten prestaties. In tabel 4.4 zijn in de middelste kolom 'middelen' enkele veel voorkomende brandbeveiligingsinstallaties op een rij gezet.

Doel

Middelen

Parameters

Detecteren van

Optisch-/ionisatie

•

RTI (Response Time Index)

rook

melder, intelligente

•

Locatie van het element of detector

sensoren, lijndetectie of

•

Aanwezige vuurbelasting

aspiratie- systemen

•

Dichtheid van rook die langs het plafond stroomt

Detecteren van

Hittemelder, infra-

hitte

roodcamera's

•

Indeling, geometrie van het compartiment

•

Materiaal karakteristieken binnen compartiment

Blussing

Sprinklersysteem

•

RTI (Response Time Index)

1) Locatie van de sprinklerkop 2) Aanwezige vuurbelasting 3) Indeling, geometrie van het compartiment 4) Materiaal karakteristieken binnen compartiment 5) Gevoeligheid van element •

Distributie van waterdruppels

•

Vorm van het spraypatroon

•

Transport van waterdruppels over materialen

•

Massa en energietransformatie van waterdruppels

•

Interactie van waterdruppels en straling

•

Invloed van waterdruppels op brandhaard


60


Verdrijven van

Rook- en warmteafvoer, •

rook en warmte

Overdrukinstallaties en

Zie CFD principes (par. 2.5)

Ventilatie Ontvluchting

Noodverlichting en

•

Zie evacuatie principes (par. 3.5)

vluchtwegaanduiding

Tabel 4.4 - Doel, middel en belangrijke parameters voor bepaling van optimaal effect De reactietijd, ook wel Response Time Index (RTI), is in veel gevallen de bepalende factor voor de effectiviteit van de installatie [Evans & Stroup, 1986; Gavelli et al., 1999]. Een vroege detectie van de brand is belangrijk vanwege de volgende twee redenen; ten eerste, omdat er meer tijd beschikbaar is voor een veilige ontvluchting; ten tweede, omdat het de kans verhoogt op een succesvolle blussing van de brand voordat aanzienlijke schade is toegebracht. De simulatiemodellen die in de afgelopen jaren zijn ontwikkeld met betrekking tot de detectietijd van installaties vallen binnen de zogenaamde "detector response" modellen. Detector response modellen gebruiken relatief eenvoudige basisprincipes om de branden rookontwikkeling te simuleren. Door middel van zonemodellering wordt aan de hand van een standaard brand de reactietijd van een element of melder in een vooraf bepaald compartiment gesimuleerd. Net als zonemodelleringen hebben de detector respons modellen hun beperkingen. Deze beperkingen moeten zorgvuldig worden afgewogen per situatie/scenario (deze beperkingen worden in de survey van het NIST per model omschreven). Op voorhand moet worden bepaald of een model bruikbaar is en welke basis gegevens in eerste instantie nodig zijn om tot een betrouwbare simulatie te komen. In tabel 4.5 zijn de voornaamste simulatiemodellen weer gegeven die wereldwijd worden gebruikt.

Model

Land

DETACT-QS

V.S.

Korte omschrijving Berekent bij willekeurige branden de detectietijd van thermische melders en sprinklers onder vlak plafond.

DETACT-T2

V.S.

Berekent voor tijdskromme (T2) afhankelijke branden de detectietijd van thermische melders en sprinklers onder een vlak plafond.

JET

Noorwegen

Zonemodel voor de bepaling de temperatuur van een bij brand ontwikkelde rooklaag (gassen) alsmede de activeringstijd van hittegevoelige elementen die voor de aansturing van rookluiken, sprinklers en overdrukinstallaties zorgen.


61


G-JET

Noorwegen

Berekeningsmethode voor de bepaling van reactietijd van rookmelders in een vooraf bepaalde ruimte en vooraf bepaalde brand/rookontwikkeling.

LAVENT

V.S.

Zonemodel voor de bepaling van de temperatuur van een bij brand ontwikkelde rooklaag (gassen) alsmede de activeringstijd van hittegevoelige elementen die voor de aansturing van rookluiken, sprinklers en overdrukinstallaties zorgen.

PALDET

Finland

Berekeningsmodel voor de bepaling van reactietijd van sprinklers en rookmelders onder niet afgesloten dakconstructies.

TDISX

V.S.

Berekeningsmodel voor de bepaling van reactietijd van sprinklers in warenhuizen.

Tabel 4.5 – Voornaamste simulatiemodellen [FORUM, 2006]

Inzetbaarheid van sprinklermodellen en rook- en warmte afvoermodellen Voor de berekening van het effect van sprinkleren rook en warmteafvoersystemen zijn veldmodellen nodig. In de state-of-the-art pakketten zijn dergelijke modellen geïntegreerd. Met behulp van pakketten als de FDS, FIRE en Jasmine is het mogelijk het effect van sprinklersystemen en ventilatiesystemen te simuleren30. Sprinklersystemen en ventilatiesystemen vallen, zoals eerder beschreven, onder de actieve systemen. Door hun actieve invloed op bijvoorbeeld de brand of rooklaag ontstaat een dynamisch proces (het verschijnsel brand is immers een dynamisch proces). Zonemodellen zijn in die zin te beperkt en vanwege het dynamische karakter van de interactie met de brand of rook worden deze modellen alleen ontwikkeld met behulp van de nieuwste (dynamische) simulatoren. Deze simulatoren zijn gebaseerd op de Computational Fluid Dynamics technieken. State-of-the-art software Op dit moment zijn simulatoren gebaseerd op de CFD techniek zo ver ontwikkeld dat berekeningen en simulaties mogelijk zijn31. Een voorbeeld hiervan is de door NIST ontwikkelde Fire Dynamics Simulator (FDS). Tijdens het ontwikkelen van de FDS heeft men rekening gehouden met diverse brandbeveiligingsinstallaties. Deze zijn geïntegreerd in de CFD systematiek

30

Hoewel de simulatie technisch mogelijk is, zal uit validatie en verificatie moet blijken in hoeverre de pakketten voldoende nauwkeurig en betrouwbaar zijn. Hierbij moet rekening gehouden worden met het feit dat de (wetenschappelijke) kennis van de effecten van sprinkleren ventilatiesystemen, alsmede die van brandontwikkeling in het algemeen, nog volop in ontwikkeling is. 31 Er is echter nog veel (onafhankelijke) validatie nodig om de algemene nauwkeurigheid en betrouwbaarheid te garanderen.


62


(ook wel de "engine" van de simulator genoemd) en zijn hiermee geavanceerder dan de eerder geschreven detector respons modellen. Beperkingen van brandbeveiligingsinstallatiemodellen De in tabel 4.5 gepresenteerde paketten zijn ontwikkeld in een tijd waarin de rekenkracht en ontwikkelde software van computers nog gering was. Door de huidige technologische ontwikkelingen zijn de zogenaamde detector respons modellen die op zonemodellering gebaseerd verouderd. Door een ruimte op te delen in vele kleine oppervlaktes (gridcellen) zijn namelijk nauwkeuriger berekeningen te realiseren. Dit geeft overigens nog geen garanties voor de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de uitkomsten (zie ook paragraaf 3.9 van hoofdstuk 3). Daarnaast heeft de zonemodellering nog meer beperkingen. Voor een beschrijving van deze beperkingen wordt verwezen naar paragraaf 4.1.3 van dit hoofdstuk. 4.3.2 Repressieve inzet door brandweer De momenteel beschikbare repressieve interventiemodellen zijn voornamelijk ontwikkeld voor de training van besluitvormingsprocedures en niet voor de beoordeling van de veiligheid van een gebouwontwerp. De invloed van de (Nederlandse) opkomsttijden van de brandweer en de brandbestrijdings- en reddingsinterventies op de brand-/rookontwikkeling, respectievelijk de evacuatie, zijn vooralsnog niet in simulatiesoftware opgenomen. Ook omgekeerd is de invloed van brand-/rookontwikkeling en evacuatiestromen op de interventiemogelijkheden van de brandweer niet in simulatiesoftware opgenomen. Wel wordt in toenemende mate kwalitatief onderzoek gedaan naar de capaciteiten van de brandweer [ODPM, 2005a; ODPM, 2005b; ODPM, 2005c; e.a.] en naar de effecten van brandbestrijding [Särdqvest & Holmstedt, 2000; ODPM, 2005d; Hadjisophocleous & Richardson, 2005; e.a.]. Deze onderzoeksinformatie biedt, indien ook vanuit kwantitatief oogpunt voldoende onderzocht, een basis voor de ontwikkeling van repressieve interventiemodellen voor de beoordeling van de veiligheid van een gebouwontwerp. 4.3.3 State-of-the-art software FBIM Het Fire Brigade Intervention Model (FBIM) is een 'event-based' methodologie die gebruikt wordt om de activiteiten en taken van een brandweereenheid te modelleren. In FBIM zijn gebeurtenissen gedefinieerd die kunnen voorkomen tijdens een brand in een gebouw. Dit zijn gebeurtenissen die kunnen voorkomen in de periode vanaf het ontstaan van de brand, tot aan het beheersbaar houden en het bestrijden van de brand. Het model is ontwikkeld voor de toepassing in een 'fire engineering design' en bij een 'performancebased' wetgeving, opdat de interventiemogelijkheden van de brandweer in het proces van gebouwontwerp meegenomen worden. In het model zijn tijdsaspecten opgenomen die gerelateerd zijn aan interventies van de brandweer, te weten de tijd die nodig is voor [Marchant et al., 2001]:


63


-

alarmering van de brandweeralarmcentrale opkomsttijd aanrijdtijd informatieverwerking (verkenning) strategiebepaling gereedmaken van materieel 'search-and-rescue' brandbeheersing brandbestrijding beperken van milieuschade.

Daarnaast zijn een aantal factoren van invloed op een brandweerinterventie. En omgekeerd heeft een brandweerinterventie ook invloed op deze factoren. De bedoelde factoren zijn: - Branddetectie en brandbeheersing - Brandoorzaak en brandontwikkeling - Brand- en rookverspreiding - Bouwconstructie en gebouwkenmerken - Ontwijken van aanwezige personen en kenmerken van deze personen - Eigenschappen van de inrichting (opgeslagen producten en dergelijke). Deze factoren zijn in het simulatiemodel FBIM verwerkt. FBIM is in de jaren '90 van de vorige eeuw in Australië ontwikkeld als een rekenmethode en recentelijk omgezet naar een computermodel. Momenteel werkt de Britse Office of the Deputy Prime Minister (ODPM) aan een Britse versie van het model [OPDM, 2006]. In het Britse model zal de brandontwikkeling verwerkt worden, zodat onder andere de brandomvang op moment van interventie bepaald kan worden. Verder wordt bij de tijdsbepaling van de interventies rekening gehouden met de fysieke en psychologische capaciteiten van het brandweerpersoneel. VirtualFires De Virtual Reality Real Time Fire Emergency Simulator (VirtualFires) is een simulator die gebruik maakt van een 3D-omgeving. Hierbij draagt de gebruiker van het systeem een 3D-bril waarmee een virtuele weergave in de werkelijke omgeving zichtbaar wordt32. De simulator maakt gebruik van CFDberekeningen en projecteert de virtuele branden rookontwikkeling in de werkelijke omgeving. De gebruiker van het systeem kan zich in de werkelijke omgeving bewegen, waarbij de projectie van de virtuele branden rookontwikkeling in de tijd meebeweegt. Zo is het mogelijk in een werkelijke ruimte een (virtuele) brand te laten ontstaan, waarna de brand zich in de loop van de tijd verder uitbreidt en er een steeds dikker wordende rooklaag ontstaat. Naast brand en rook kunnen ook andere elementen geprojecteerd worden (zowel visueel als met geluid), zoals bijvoorbeeld (nood)uitgangaanduiding of een ontruimingsalarm. Vooralsnog wordt VirtualFires toegepast in transportomgevingen, zoals tunnels [Gómez, 2005]. 32

Een dergelijk systeem is bij het Nibra in ontwikkeling, genamd NIVAR.


64


Mantovani et al. (2001) hebben met een experiment aangetoond dat dergelijke Virtual Reality systemen toepasbaar zijn op het trainen en onderzoeken van het vluchtgedrag van mensen [Mantovani et al., 2001]. ADMS De Advanced Disaster Management Simulator (ADMS) is een interactieve virtuele omgeving dat met name toegepast wordt voor teamtraining van hulpverleningsdiensten. Het systeem wordt met name toepast voor de training van competenties in commandovoering, coördinatie en communicatie. In de simulator is een uitgebreid verzorgingsgebied met een oppervlakte van 450 km2 gemodelleerd, met daarin onder andere een stadsomgeving, autosnelwegen, spoorlijnen, een bedrijfsterrein, een terrein met brandstofopslag, ziekenhuizen en een vliegveld. Verder heeft het systeem beschikking over 40 volledig inzetbare eenheden, waaronder blusvoertuigen, ambulances, politievoertuigen, autoladders, hulpverleningsvoertuigen en een traumahelikopter. In ADMS worden interventies van de eenheden op basis van rekenformules tijdrealistisch weergegeven, waarbij zowel hulpverlening als (binnen)brandbestrijding mogelijk is. Bij de visualisatie van de branden rookontwikkeling wordt rekening gehouden met compartimentering en brandwerendheid van scheidingsconstructies en dergelijke. In het systeem zijn activiteiten van omstanders/slachtoffers ingebouwd, zoals de evacuatie van een gebouw. Verder is een dynamisch verkeersbeeld, zijn weersomstandigheden en zijn dagen nachtomgevingen in de simulator ingebouwd. Naast 3D visuele effecten geeft de simulator ook tijdsrealistische geluidseffecten. En hoewel ADMS momenteel voornamelijk wordt toegepast voor training van hulpverleningsdiensten, is het ook mogelijk scenario's te ontwikkelen die betrekking hebben op het trainen en onderzoeken van het vluchtgedrag van mensen33 [Nibra, 2006]. Overige rekenmodellen: Handleiding Brandweerzorg / GIS-modellering In de Handleiding Brandweerzorg zijn de gewenste opkomsttijd van de brandweer voor verschillende typen gebieden opgenomen. Op basis van Geografisch Inforamtie systeem (GIS) -modellen van het verzorgingsgebied, met daarin opgenomen plaats van kazernes en de (gemiddelde) rijsnelheden van brandweervoertuigen op de verschillende wegen, kan de 'werkelijke' rijdtijd vanaf de kazerne tot aan de plaats van een incident voorspeld worden. Op basis van de 'gewenste' opkomsttijden en de voorspelde 'werkelijke' aanrijdtijden kan de meest gunstige spreiding van kazernes in een verzorgingsgebied bepaald worden. Overige rekenmodellen: Reken- en beslismodel Beheersbaarheid van Brand In het Reken- en beslismodel Beheersbaarheid van Brand zijn formules opgenomen waarmee de vuurbelasting in een brandcompartiment, de warmtestraling op een buurcompartiment, de waterbehoefte bij blussen en de waterbehoefte bij koelen geschat kan worden. De uitgangspunten en

33

Zie ook VirtualFires


65


aannames in het rekenen beslismodel zijn momenteel onderwerp van discussie en zullen op termijn worden bijgesteld.

4.4

Integratie van simulatiemodellen

In de paragrafen 4.1 tot en met 4.4 zijn simulatiemodellen beschouwd voor brandmodellering, brandbeveiligingsinstallaties, evacuatie en interventies. Zoals ook in het onderzoeksvoorstel is verwoord [Nibra, 2005a], grijpen diverse (brand-, vluchten blus-) processen op elkaar in, waardoor het uiteindelijke resultaat van een brand tot stand komt. In figuur 4.4 is dit gevisualiseerd.

begin incident

simulatiemodellen

uitgangssituatie parameters - hulpverleners - ruimtelijke omgeving - mensen - enz.

hulpverlening

ruimtelijke omgeving

fysische processen

menselijk gedrag

uitkomst verloop incident - slachtoffers - schade aan gebouw/omgeving - reikwijdte - enz.

Figuur 4.4 – Samenhang tussen diverse (brand-, vluchten blus-) processen [Nibra, 2005a]

Er zijn drie pakketten beschikbaar die (delen van) simulaties integreren, te weten Fire Dynamics Simulator, Smartfire en BuildingEXODUS. Deze drie pakketten worden hieronder toegelicht. 4.4.1 Fire Dynamics Simulator (FDS) / Smokeview Modellering De FDS is een Large Eddy Simulator (LES), ontwikkeld door het National Institute of Standards and Technology (NIST). De aanname achter de LEStechniek is dat turbulentie op grote schaal verantwoordelijk is voor het gros van het energietransport bij brand. De nauwkeurigheid van het programma


66


hangt nauw samen met de resolutie van het grid. FDS is uit meerdere submodellen opgebouwd, namelijk [McGratten et al., 2002]: - hydrodynamisch model. De turbulentie wordt volgens de Smagorinsky methode berekend. - verbrandingsmodel: Voor de meeste toepassing wordt het mengverhoudingmodel (mixture fraction combustion model) gebruikt. De mixture fraction is een dimensieloze variabele die de behoudswetten voor brandstof en zuurstof in één enkele vergelijking combineert; - warmtetransport door straling: Berekend wordt het warmtetransport door een grijs, niet verstrooiend gas. De vergelijking wordt opgelost volgens de eindige-volume-methode (FVM); - geometrie: het programma is gebaseerd op een rechtlijnig grid. - omgevingscondities: Aan alle harde oppervlakten worden zowel thermische grenscondities toegekend als brandgedrag van het materiaal. Er is een databank met materiaaleigenschappen beschikbaar; indien bij een toepassing een andere materiaal voorkomt dan in de databank aanwezig is, moet de gebruiker de eigenschappen als nog door experimenten vaststellen. Visualisatie De output van de CFD-rekentechniek is zeer omvangrijk wegens de vaak miljoenen cellen met per cel vele op te lossen vergelijkingen. Deze enorme output moet door middel van visualisatie bewerkt worden om het inzichtelijk te maken. Smokeview visualiseert FDS uitkomsten door de stroom van deeltjes af te beelden) rook of waterdeeltjes van bijvoorbeeld een sprinkler of driedimensionale contouren van data van gas zoals temperatuur en stroomrichting. Vlammen worden weergegeven door de isotemperatuurcontouren. 4.4.2 Smartfire Modellering SMARTFIRE is gebaseerd op CFD-rekenmethoden en is voorzien van een kennisbank zodat ook niet-CFD-experts met het programma kunnen omgaan. De software heeft drie hoofdcomponenten: CFD-regels; gebruikersinterface en expertsysteem. Het expertisesysteem ondersteund met name de keuze van het grid en het te simuleren scenario. Het door het systeem voorgestelde grid moet wel door de gebruiker kritisch beoordeeld worden voordat het geaccepteerd mag worden. De computer stuurt vooral aan op een beperking van de rekentijd in relatie tot een acceptabele uitkomst. De software is ontwikkeld aan de University van Greenwich en kan gedraaid worden op een PC onder Windows of NT. De CFD-software omvat een zesstrooms stralingsmodel, een model om warmtetransport door een muur te berekenen, en een aanpassing op de turbulentievergelijkingen ten aanzien van het verschijnsel van drijfvermogen. De brand wordt gesimuleerd door een


67


tijdelijke, volumetrische warmte- en massabron. Zie voor meer informatie de handleiding [Galea et al., 1999]. 4.4.3 BuildingEXODUS In BuildingEXODUS wordt de evacuatie van grote aantallen personen uit een ruimte gesimuleerd. Hierbij wordt rekening gehouden met eventuele vertraging of overlijden als gevolg van extreme hitte of als gevolg van toxische gassen die bij brand vrijkomen. In vergelijking met andere modellen waarin sociologische inzichten uit de wetenschap zijn verwerkt, wordt BuildingEXODUS door Santos en Aguirre [2004] aangemerkt als een model dat gebruik maakt van mogelijk de meeste complete set van in totaal 21 sociaal-psychologische eigenschappen en kenmerken voor iedere 'agent' in het systeem,. De set van eigenschappen en kenmerken omvat onder andere leeftijd, sekse, ademfrequentie, loopsnelheid, dood/levend en dergelijke. De 'agents' bezitten bovendien (al of niet) een mate van bekendheid met het gebouw, beweeglijkheid en geduld [Santos & Aguirre, 2004]. De uitkomsten van het programma BuildingEXODUS zijn gebaseerd op submodellen met betrekking tot mens-mens interactie, mens-brand interactie en mens-gebouw interactie [So et al., 2003] 4.4.4 Simulatieprojecten Naast de bovengenoemde simulatoren is wereldwijd grootschalig onderzoek gaande naar simulatie van brandgerelateerde aspecten en de integratie van dergelijke simulatiemodellen. Enkele van deze projecten worden hieronder kort toegelicht FIREGRID (University of Edinburgh, UK) Een door het ministerie van Department and Trade gesponsord internationaal samenwerkingsverband werkt aan de ontwikkeling van real time brandweeren hulpverleningssystemen. Het gaat hierbij om het continu beschikbaar hebben van data van de ongevallocatie en de inzet van de brandweer/hulpverlening. Simulatiemodellen voorspellen de ontwikkeling van de brand, voorspellen de invloed op de constructie (en eventuele instorting) en analyseren de invloed van interventie en evacuatiestrategieën. Dit project heeft een budget van 2,3 miljoen Engelse ponden. De samenwerkende partijen zijn afkomstig uit de universitaire wereld (universiteiten en onderzoekslaboratoria), informatietechnologiebedrijven, ingenieursbureaus, hulpverleningsinstanties. Het betreft een internationaal consortium met deelnemers uit de Verenigde Staten, Frankrijk, Groot-Brittannië en Nederland (TNO Bouw).


68


5. Conclusies en aanbevelingen

Conclusies Verkenning algemeen - State-of-the-art simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties worden hoofdzakelijk ontwikkeld in het buitenland (zoals de VS, Engeland, Zweden). - Het ontwikkelen en onderzoeken van simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties vraagt een specialistische, (wis- en natuurkundig) wetenschappelijke kennis. - Het toepassen van simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties is gecompliceerd doordat de diverse modellen en programma's zeer specifieke kenmerken hebben qua toepassingsgebied, beproeving (validiteit) en gebruiksvriendelijkheid. - Voor het toepassen van simulatiemodellen en de beoordeling van de resultaten is kennis vereist op het gebied van brandontwikkeling, gebouwontwerp en is inzicht nodig in de eigenschappen van simulatiepakketten. - Simulatiemodellen voor branden rookontwikkeling, evacuatie en brandbeveiligingsinstallaties zijn slechts een middel binnen het conceptueel benaderen van brandveiligheid en kunnen bij gebouwontwerp of evaluaties van branden worden ingezet bij nemen van ontwerptechnische of beleidsmatige beslissingen. - (Simulatie)modellen geven een beperkte weergave van de werkelijkheid, maar verschaffen desondanks inzicht in branden rookontwikkeling en evacuatiemogelijkheden. - De inzichten uit simulatietoepassingen zijn bruikbaar in het ontwerpen van brandveilige gebouwen, maar bedacht moet worden dat de resultaten gepaard gaan met onzekerheden. Hieronder worden de conclusies per vakgebied gepresenteerd. Brandmodellering - Brandsimulaties zijn grotendeels geënt op de principes uit stromingsleer. De stromingsleer draait om de behoudswetten voor massa, energie en impuls (momentum). Bij brandsimulatie komt daarbij het behoud van chemische elementen in verband met het omzettingsproces (verbranding). - Veldmodellen (Computational Fluid Dynamics: CFD) worden gebruikt voor de modellering van complexe brandgerelateerde vraagstukken zoals brandontwikkeling en interacties met bijvoorbeeld evacuatie of blusinzetten. Hierbij wordt de stroming van warmte en rook gesimuleerd. - Zonemodellen worden gebruikte voor eenvoudige brandgerelateerde vraagstukken en geven een snelle voorspelling van bijvoorbeeld verbranding en roetvorming.


69


-

-

Alhoewel veldmodellen de werkelijkheid beter benaderen dan zonemodellen34, voldoen zonemodellen voor bepaalde vraagstukken. Simulaties met zonemodellen vereisen minder rekenkracht van computers en zijn mede daarom goedkoper dan veldmodellen. Bij brandsimulatie zal in de toekomst het dynamisch gedrag van constructies als functie van, met name de temperatuurontwikkeling, ook gemodelleerd worden. Zo ook de beïnvloeding van de branden rookontwikkeling, maar ook het evacuatieproces, ten gevolge van toevallige factoren respectievelijk de interventie door installaties en/of hulpverleners.

Brandbeveiligingsinstallaties - De reactietijd van de installatie is een belangrijke variabele die gemodelleerd moet worden - Het merendeel van de modellen die gebruikt worden voor het simuleren van de reactietijd en effect van brandbeveiligingsinstallaties is gebaseerd op, de relatief eenvoudige, zonemodellering. - Deze relatief eenvoudige programma's hebben als voordeel dat de rekentijd kort is. Hierdoor worden deze modellen vaak ingezet naast een complexere CFD simulatie. - State-of-the-art CFD software maakt het mogelijk - door de toevoeging van specifieke modellen - de reactietijd en het effect van brandbeveiligingsinstallaties te berekenen. Evacuatie - Bij evacuatiesimulatie is de trend om individuele besluitvorming van evacués mee te modelleren; het model wordt daarmee meer probabilistisch van karakter. - Evacuatie simulatiemodellen kunnen gebaseerd zijn op diverse rekenkundige theorieën waarbij de toepasbaarheid verschilt per situatie (vrije bewegingsruimte, noodsituatie, bezettingsgraden, mensenmassa's). - Microscopische simulatie is state-of-the-art vanwege de rekenschap die gegeven wordt aan (individueel) menselijk gedrag in mensenmassa's. Interventies - Het gedrag van brandweerpersoneel wordt nog niet gemodelleerd ten behoeve van simulaties. - De bestaande simulatiesystemen, die worden toegepast voor de training van hulpverleners in de competenties commandovoering, coördinatie en communicatie, zijn potentieel geschikt voor het trainen en onderzoeken van het vluchtgedrag. Hierbij is het mogelijk virtuele brandhaarden en/of brandpreventieve voorzieningen, zoals vluchtwegaanduiding en een ontruimingsalarm, in een werkelijke omgeving, zoals een kantoorgebouw zichtbaar en hoorbaar te maken.

34

Bij correct gebruik van het model.


70


Integratie van modellen - Er zijn meerdere simulatieomgevingen die diverse simulatiemodellen (brand, rook, vluchten, brandbeveiligingsinstallaties) integreren. - Er zijn meerdere internationale projecten die tot doel hebben brandgerelateerde simulaties verder te ontwikkelen in termen van verfijning, real time toepasbaarheid, inbreng van extra opties. Aanbevelingen -

-

-

-

-

Inventariseer de toepassingen van (geïntegreerde) simulaties in Nederlandse situaties en de beoordeling ervan door vergunningverleners. Ofwel, stel een staalkaart op van de toepassing van simulaties binnen het proces van (bouw)vergunningverlening. Verken de toepassingsmogelijkheden van bestaande simulatiemodellen voor de Nederlandse situatie. Een mogelijkheid voor de uitvoering is om informatie over validatie en verificatie van de specifieke software te inventariseren en te analyseren. Deze informatie (veelal gericht op buitenlandse situaties) moet beoordeeld worden op de toepasbaarheid op de Nederlandse situatie. De verkenning van de toepassingsmogelijkheden van bestaande simulatiemodellen voor de Nederlandse situatie moet leiden tot een overzicht van de sterkte- en zwaktepunten van de programma's en de kritische factoren bij het gebruik van de programmatuur voor bouwplanbeoordeling. Stel vanuit de overheid een (proces)protocol op voor de toepassing van simulatie in het proces van vergunningverlening. Stel vanuit de overheid de competenties van een 'geaccepteerde simulatiegebruiker' en een 'geaccepteerde simulatietoetser' vast en ontwikkel een systeem waarmee de state-of-the-art deskundigheid van gebruikers en toetsers beoordeeld kan worden. Stel vanuit de overheid voorwaarden op voor een acceptabel gebruik van simulatie in het proces van vergunningverlening. Hiervoor is het nodig dat state-of-the-art informatie over invoerwaarden, uitgangspunten en brandscenario's verkend, beoordeeld en vastgelegd moet worden. Vergroot de (simulatie)basiskennis bij gebruikers en beoordelaars met betrekking tot onderwerpen als evacuatie, menselijk gedrag, branden rookontwikkeling in relatie tot gebouwontwerpen. Dit betekent dat opleidingen en/of cursussen ontwikkeld moeten worden waarin met name wordt ingegaan op: • de wetenschappelijke kennis over de genoemde onderwerpen, • de achtergronden van de wetgeving, • de benadering van brandbeveiliging vanuit het denken in brandbeveiligingsconcepten35.

35 Dit gaat overigens verder dan alleen de toepassing van simulaties, engaat over fire safety engineering. Deze kennis (en expertise) is daarentegen essentieel om te kunnen werken met simulaties. Kennis van fire safety engineering is van cruciaal belang voor zowel ontwerpers/adviseurs als voor toetsers/handhavers die in aanraking komen met simulaties.


71


-

-

Verken de methodes die beschikbaar zijn voor risicobeoordeling van een gebouwontwerp. Ontwikkel de deskundigheid bij betrokkenen in het toepassen en beoordelen van simulatiemodellen en om de resultaten zinvol te kunnen interpreteren. Dit kan uitgevoerd worden door (een selecte groep van) betrokkenen middels 'hands-on' validatiekennis te laten maken met de (on)mogelijkheden van de verschillende simulatiepakketten die in Nederland worden toegepast. Een methode van validatie is benchmarking: verschillende pakketten worden toegepast op hetzelfde vraagstuk (praktische situatie), waarna de verschillende resultaten beoordeeld en met elkaar vergeleken worden. Verken de mogelijkheden van Virtual Reality voor het uitvoeren van experimenteel onderzoek naar het vluchtgedrag in relatie tot een gebouwontwerp.


72


6.

Referenties

AFAC, 2006. www.afac.com.au Babrauskas, V., Peacock, R., 1992. Heat Release Rate: The Single Most Important Variable in Fire Hazard. Fire Safety Journal 18, 255-272. Battjes et al., 1999. TB131 Inleiding wiskundige modelvorming. Deel Bmodelvorming, TU Delft. Beard, A.N., 2005. Requirements for acceptable model use. Fire Safety Journal 40, 477-484. Bounagui, A., Bénichou, N., Kashef, A., en McCartney, C., 2004. CFD simulation of a fire in the living area of three storey residential house to evaluate life safety in houses, NRCC-47008. National research council Canada. Bukowski, R.W., 2001. Fire as a building design load. International Interflam Conference, 9th Proceedings, 341-350. BZK, 1995. Brandbeveiligingsconcept Beheersbaarheid van brand. Den Haag. Carlsson, E., 1999. External fire spread to adjoining buildings: A review of fire safety design guidance and related research. Lund University, Sweden. Chang, C.-H., Huang, H.-C., 2005. A water requirements estimation model for fire suppression: A study based on integrated uncertainty analysis. Fire Technology 41, 5-24. Coppens, E.G.C., Pluim, W., Pothuis, J.W., 2003. Inventarisatie grote brandcompartimenten. PRC Bouwcentrum BV. Bodengraven. Cui, E., Chow, W.K., 2005. Simulation on indoor aerodynamics induced by an atrium fire. Building and enviroment 40, 1194-1206. Delichatsios, M.A., Silcock, G.W.H., Liu, X., Delichatsios, M., Lee, Y., 2004. Mass pyrolysis rates and excess pyrolysate in fully developed enclosure fires. Fire Safety Journal 39, 1–21. Evans, D.D. Stroup, D.W., 1986. Methods to Calculate the Response Time of Heat and Smoke Detectors Installed Below Large Unobstructed Ceilings. Fire Technology 22, 54-65. FIREFORUM, 2006. www.fireforum.be


73


Forney, G.P., Madrzykowski, D., McGrattan, K.B., Sheppard, L., 2003. Understanding Fire and Smoke Flow Through Modeling and Visualization. IEEE Computer Graphics and Applications 23, 6-13. Friedman R., 1992. An international survey of computer models for fire and smoke. Journal of Fire Protection Engineering 4, 81-92. Galea, E.R. , Knight, B., Patel, M., Ewer, J., Petridis, M., Taylor, S., 1999. SMARTFIRE V2.01 build 365, User guide and technical manual. Gann, R.G., 2004. Estimating data for incapacitation of people by fire smoke. Fire Technology 40. Gavelli, F. , Ruffino, P., Anderson, G., di Marzo, M., 1999. The effect of minute water droplets on a simulated sprinkler link thermal response, NIST. Geurts, B., 2002. Turbulente menging 216 NAW 5/3 nr. 3. Gómez, R., 2005. Computer supported training tools for rescue personnel in tunnel accidents. SafeT. EBSCC. Grimwood, P., Desmet, K., 2002. Tactical Fire Fighting. Flashover & nozzle techniques. Cemac / London Fire Brigade. Gritzo, L.A., Senseny, P.E., Xin, Y., Thomas, J.R., 2005. The international FORUM of fire research directors: A position paper on verification and validation of numerical fire models. Fire Safety Journal 40, 485-490. Gwynne, S., Galea, E.R., Owen, M., Lawence, P.J., Filippidis, L.,.1999. A review of the methodologies used in the computer simulation of evacuation from the build environment. Building and environment 34, 741-749. Hadjisophocleous, G.V., Richardson, J.K., 2005. Water flow demands for firefighting. Fire Technology 41, 173-191. Hanea, D., 2003. Evacuation models – Review. TU Delft. Helbing, D., Farkas, I.J., Molnár, P., Vicsek, T., 2001. Simulation of pedestrian crowds in normal and evacuation situations. Hoogendoorn, S.P., Daamen W., Landman, R., 2005. Microscopic calibration and validation of pedestrian models – Cross-comparison of models using experimental data. Presentatie op PED2005, conferentie over loop- en evacuatiemodellering, Technische Universiteit Wenen 28 t/m 30 september 2005.


74


HSL, 2000. Beveiligingsconcept HSL-Zuid, deel B: Boortunnel onder het Groene Hart, 00HSL260. Huggett, C., 1980. Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurement. Fire and Materials 4, 61-65. Jiang, H., Gwynne, S. Galea, E.R., Lawrence, P., Jia, F., Ingason, H., 2003. Predicting the past, Fire Prevention - Fire Engineers Journal. Jiang, 1998. Flame radiation from polymer fires. Fire Safety Journal 30, 383395. Klüpfel, H., 2005. The simulation of crowd dynamics at very large events – Calibration, empirical data and validation. Presentatie op PED2005, conferentie over loop- en evacuatiemodellering, Technische Universiteit Wenen 28 t/m 30 september 2005. Kruse, D., Dehne, M., 2005 . Design of escape routes by simulating evacuation dynamics in conjunction with a probalistic safety concept. Presentatie op PED2005, conferentie over loop- en evacuatiemodellering, Technische Universiteit Wenen 28 t/m 30 september 2005. Leur, P.H.E. van der, Oerle, N.J. van, 1995. Rookverspreiding en warmteoverdracht bij brand. Stichting Bouwresearch. Rotterdam. Lundin, J., 1999. Model Uncertainty in Fire Safety Engineering, Department of Fire Safety Engineering, Lund University, Sweden. Lundin, J., 2005. Safety in case of fire. The effect of changing regulations. Doctoral thesis. Lund University, Sweden. Marchant, R., Kurban, N., Wise, S., 2001. Development and application of the Fire Brigade Intervention Model. Fire Technology 37, 263-278. Markert, F., 1998. Assessment and mitigation of the consequences of fires in chemical warehouses. Safety Science 30, 33-44. Martínez de Aragón, J.J., Rey, F., Chica, J.A., 2003. Software voor het brandveiligheidsontwerp. DIFISEK, deel 4. McGratten, K.B. , Forney, G.P., Floyd, J.E., Hostikka, S., Prasad, K., 2002. Fire Dynamics Simulator (Version 3)-User's Guide, NISTIR 6784. Mantovani, G., Gamberini, L., Martineli, M., Varotto, D., 2001. Exploring the suitability of virtual environments for safety training: Signals, norms and ambiguity in a simulated emergency escape.


75


Nibra, 2005a. Subsidieverzoek Simulatie: meerjaren onderzoekprogramma naar de relaties tussen ruimtelijke ordening, ontwerp, incidentontwikkeling en rampenbestrijding. Nibra, Arnhem. Nibra, 2005b. Brandverloop. Nibra, Arnhem. Nibra, 2006. www.nibra.nl Novozhilov, V., 2001. Computational fluid dynamic modeling of compartment fires. Progress in energy and combustion science 27, 611-666. ODPM, 2005a. Operational physiological capabilities of firefighters: Literature review and research recommendations. Office of the Deputy Prime Minister, UK. ODPM, 2005b. Firefighting in under-ventilated compartments: Literature review.. Office of the Deputy Prime Minister, UK. ODPM, 2005c. Collection an analysis of emergency services data relating to the evacuation of the World Trade Centre towers of 11 September 2001. Office of the Deputy Prime Minister, UK. ODPM, 2005d. Effect of reduced pressure on performance of firefighting branches in tall buildings. Office of the Deputy Prime Minister, UK. ODPM, 2006. www.rmd.odpm.gov.uk Olenick, M., Carpenter, D.J., 2003. An updated international survey of computer models for fire and smoke. Journal of Fire Protection Engineering 13, 87-110. Peacock, R.D., Averill, J.D., Reneke. P.A., Jones, W.W., 2004. Characteristics of fire scenarios in which sublethal effects of smoke are important. Fire Technology 40, 127-147. Peacock, R.D., Reneke, P.A., Forney, L., Kostreva, M.M., 1998. Issues in evaluation of complex fire models. Fire Safety Journal 30, 103-136. Pires, T.T., 2005. An approach for modeling human cognitive behavior in evacuation models, Fire Safety Journal 40, 177-189. Proulx, G., 1997. Misconceptions about human behaviour in fire emergencies. Canadian Consulting Engineer, 36-38. Proulx, G., 2001. Occupant behaviour and evacuation, Proceedings of the 9th International Fire Protection Symposium, Munich, May 25-25, 219-232.


76


Purser, D.A., Besilum, M., 2001. Quantification of behaviour for engineering design standards and escape time calculations, Safety Science 38, 157-182. Purser, D.A., 2003. Data Benefits, Fire Prevention - Fire Engineers Journal, August 2003. RiMEA, 2005. Richtlinie für Mikroskopische Entfluchtungsanalysen. Version 1.8.0 (www.rimea.de). Ryder, N., Sutula, J.A., Schemel, C.F., Hamer, A.J., Brunt, V. van, 2004. Consequence modeling using the fire dynamics simulator. Journal of hazardous materials 115, 149-154. Rho, J.S., Ryou, H.S., 1999. A numerical study of atrium fires using deterministic models. Fire safety journal 33, 213-229. Sandberg, A., 1997. Unannounced evacuation of large retail-stores: An evaluation of human behaviour and the computer model Simulex. Lund University, Departement of Fire Safety Engineering. Santos, G., Aguirre, B.E., 2004. A Critical Review of Emergency Evacuation Simulation Models, Disaster Research Center, University of Delaware, NIST Workshop on Building Occupant Movement during Fire Emergencies June 910, 2004. Särdqvist, S., Holmstedt, G., 2000. Correlation between firefighting operation and fire area: analysis of statistics. Fire Technology 36, 109-130. Schneider, V., Könnecke, R., 2005. Evacuation from underground rilway stations – Available and required safer egress time for different station types and general evaluation criteria. Presentatie op PED2005, conferentie over loop- en evacuatiemodellering, Technische Universiteit Wenen 28 t/m 30 september 2005. Shigunov V., 2005. A zone model for fire development in multiple connected compartments. Fire safety journal 40, 555-578. Sime, J.D., 1995. Crowd psychology and engineering, Safety Science 21, 114. So, A., Lia, T., Yu, J., 2003. Lift logic, Fire Prevention - Fire Engineers Journal, August 2003. Steckler, K.D., Quintiere, J.G., Rinkinen, W.J., 1982. Flow induced by fire in a compartment, NBSIR 82—2520, National Bureau of Standards (nu NIST).


77


Steckler, K.D., Quintiere, J.G., Rinkinen, W.J., 1984. Fire induced flows through room openings-flow coefficients, NBSIR 83—2801, National Bureau of Standards (nu NIST). SURVEY, 2006. www.firemodelsurvey.com Sutula, J., 2002. Applications of the fire dynamics simulator in fire protection engineering consultating, Fire Protection Engineering, 33-43. Tang, D., Beattie, K., 1997. Integrated prediction of fire, smoke and occupants evacuation of buildings. Dublin Institute of Technology / IES Limited. Tauböck, S.M., Breitenecker, F., 2005. Features of discrete event simulation systems for spatial pedestrian and evacuation dynamics. Presentatie op PED2005, conferentie over loop- en evacuatiemodellering, Technische Universiteit Wenen 28 t/m 30 september 2005. Tuovinen H., Blomqvist, P., Saric, F., 2004. Modeling of hydrogen cyanide formation in room fires. Fire safety journal 39, 737-755. Veek, J.H. van der, Horsley, K.M., 2003. Brandveiligheidseisen hoogbouw. V2BO Advies. Wang, Z., Jia, F., Galea, E.R., Patel. M.K., Ewer, J., 2001. Simulation one of the CIB W14 round robin test cases using the SMARTFIRE fire field model. Fire safety journal 36, 661-677.


78


BIJLAGE 1: International FORUM on Fire Research

Ter bevordering van het wetenschappelijk onderzoek naar brand en brandbeveiliging is er een internationaal FORUM van directeuren van brandonderzoeksinstellingen36 opgericht. Hierin zijn onder andere het Amerikaanse NIST/BFRL, de Canadese NRC en de Britse FRS vertegenwoordigd. Andere vertegenwoordigde landen zijn Duitsland, Finland, Zweden, Noorwegen, Italië, Australië, Nieuw Zeeland, Japan en China. Nederland is nog niet vertegenwoordigd. Het Nederlands Instituut Fysieke Veiligheid Nibra komt in aanmerking voor deelname aan het FORUM. De doelstelling van het FORUM is om de brandveiligheid te verbeteren, gemeten in de vermindering van het aantal branden en slachtoffers, alsmede het beperken van gevolgschade voor economie en milieu. De focus ligt op de bevordering van 'Fire Safety Science' en 'Fire Safety Engineering', ofwel een academische benadering van brandveiligheid. Hierbij zijn kennis van brandgedrag, het ontwikkelen van berekeningsmethoden, het genereren van betrouwbare data en het opleiden en trainen van professionals belangrijke onderwerpen. Het FORUM streeft ernaar 'Fire Safety Engineering' te bevorderen door internationaal samen te werken en onderzoeksresultaten met elkaar te delen. Daarnaast is de functie van het FORUM gelegen in het herkennen en vaststellen van strategieën die het onderzoek op gebied van brandveiligheid kan bevorderen. Eén van de activiteiten van het FORUM is het opstellen van een database met informatie over simulatiemodellen (software). Deze modellen worden in toenemende mate gebruikt voor het beoordelen van ontwerpen van brandveilige gebouwen. Gritzo et al. [2005] hebben een position paper opgesteld met betrekking tot verificatie en validatie van numerieke branden evacuatiemodellen. Er zijn reeds procedures opgesteld om de capaciteiten, toepassingsgebieden en beperkingen van simulatiemodellen te beoordelen. Maar vaak is bij de individuele gebruiker van deze modellen onvoldoende tijd en/of kennis en middelen beschikbaar om deze procedures toe te passen. De complexiteit en niet-lineaire rekenmethoden, die onlosmakelijk verbonden zijn aan branden evacuatiesimulatie, kan tot resultaten leiden die door de gebruiker - als gevolg van te weinig kennis van de capaciteiten, toepassingsgebieden en beperkingen van het gebruikte model - als redelijk en juist kan worden beschouwd, terwijl deze resultaten in werkelijkheid niet representatief zijn. Dit heeft als gevolg dat op onjuiste gronden incorrecte besluiten worden genomen

36

Zie http://www.bfrl.nist.gov/info/forum/forum.html


79


ten aanzien van een gebouwontwerp. Verder hebben gebruikers nauwelijks toegang tot de brongegevens die in de simulatiemodellen worden toegepast. Vanwege de uitvoerige kennis die nodig is voor de beoordeling van de capaciteiten, toepassingsgebieden en beperkingen van simulatiemodellen voldoende goed gedefinieerd zijn, en de voor gebruikers beperkte toegang tot de brongegevens, stelt het FORUM dat eisen gesteld moeten worden aan verificatie en validatie van de simulatiemodellen. Hieronder worden de volgende activiteiten verstaan: - codeverificatie door de ontwerper om codefouten te identificeren en te beperken - verificatie van de berekening, waaronder karakterisering van de discretisering (het grid) en de afhankelijkheid van de inputparameter om het juist toepassen van modellen te bewerkstelligen - modelvalidatie binnen de relevante parameterruimte, gebaseerd op een gevestigde metriek en gebruikmakend van experimentele data van hoge kwaliteit, om te voorzien in een kwantitatieve beoordeling van de voorspelde mogelijkheden van een model - documentatie van validatiestudies, volgens gevestigde richtlijnen uitgevoerd, in de vrij toegankelijke literatuur met voldoende stiptheid en detail om gebruikt te worden als een basis voor toenemend vertrouwen in toekomstige analyses. Het FORUM beoogt de simulatiemodellen te verifiëren en te valideren om eenheid van opvatting en vertrouwen in de voorspellingen te vestigen. Dit moet resulteren in: - verbeterde kwaliteit van voorspellingen over een breder toepassingsgebied - verbeterd vertrouwen bij besluitvormers om de resultaten van de modellen te vertrouwen - continue voortschrijdend inzicht en kennis. Code verificatie zou alle delen van de code moeten beproeven binnen het bereik van de waarden die te verwachten zijn bij de algemeen toepassing. In het algemeen vereist dit de toegang tot de broncodes; daarom is het standpunt van het FORUM dat de code verificatie uitgevoerd moet worden door de softwareontwerper. De gebruiker zou toegang moeten hebben tot de verificatiedocumentatie om zeker te kunnen stellen dat van de capaciteiten en kenmerken die gebruikt moeten worden, geverifieerd zijn [Gritzo et al., 2005]. Daarnaast is men in Duitsland en Oostenrijk gezamenlijk gestart met het opstellen van een 'Richtlinie für Mikroskopische Entfluchtungs-Analysen' (RiMEA). Doel van het project is om voor de Duitse en Oostenrijkse markt een richtlijn te ontwikkelen voor gestandaardiseerde toepassing van simulatiemodellen bij de beoordeling van ontvluchtingsaspecten in een gebouwontwerp. Dit is een set van afspraken die gebruikt kan worden voor de beoordeling van de capaciteiten, toepassingsgebieden en beperkingen van


80


simulatiemodellen. Tevens is de validatie van software onderwerp van het RiMEA-project [RiMEA, 2005]. Dit project staat los van de activiteiten van het FORUM, maar komt op onderdelen overeen.


81

No title

Recommend Documents