Brannsikkerhet: simulering av rømning, brannmotstand og røykventilasjon

Abstract

Dagens funksjonsbaserte forskrifter, oppfordrer til bruk av analyser. Formålet med denne masteroppgaven, er å gi en innføring i aktuelle simuleringsmodeller som benyttes ved branntekniske analyser, innen områdene rømning, brannmotstand og røykventilasjon. Videre, å anvende utvalgte modeller i et case, for å dokumentere tilfredsstillende personsikkerhet. Det er ønskelig å belyse muligheter og utfordringer ved denne dokumentasjonsmetoden.

Simuleringsmodeller, kan deles inn i forenklede og deterministiske datamodeller. Tabulerte verdier, håndberegninger og regneark, kan regnes som forenklede modeller. Felles for disse modellene er at de gir raske svar på branntekniske delproblem, men gir sjelden noe helhetlig bilde av brannsituasjonen. Deterministiske datamodeller deles inn i sone- og feltmodeller(CFD). Slike modeller krever større faglig innsikt av brukeren, men kan simulere branntekniske forhold med større nøyaktighet.

Ved analyse av tilstrekkelig sikkerhet under rømning, er forhold som rømningstid og –forhold viktig. Regnearkmodellen ALLSAFE Håndbok, kan simulere nødvendig og tilgjengligrømningstid. Forflytningstiden kan bestemmes ved hjelp av Simulex, STEPS, eller FDS+Evac.Regnearksamlingen, Spreadsheet Templates for Fire Dynamics Calculations fra Fire Risk Forum,kan beregne branntekniske delproblem innen områdene røyk-, brannspredning, samtdeteksjonstid. En mer realistisk simulering av røyk- og brannutvikling, kan gjennomføres i sonemodellen Argos, eller feltmodellen FDS.

Tilstekkelig brannmotstand kan uttrykkes gjennom et tids-, kapasitets-, eller temperaturaspekt. Materialets respons på den termiske brannlasten, er et viktig forhold.Dimensjonering av bærende elementer, gjennomføres ofte ved hjelp av analyseprogrammeneG-RPOG. Simulering av brannmotstand kan deretter utføres på bakgrunn av tabulerte verdier og håndberegningsmetoder i relevante eurocoder.

Røykventilasjon er et brannteknisk tiltak som reduserer den termiske energien som oppstår ved brann. Tiltaket har positive virkninger på rømningssituasjonen, og tiden til kritiske forhold oppstår. Simulering av termisk og mekanisk røykventilasjon kan gjøres ut i fra tabulerte verdieri Melding HO-3 (2000). I tillegg er sone- og feltmodeller som simulerer røyk- og brannutviklinget viktig hjelpemiddel.

Caset omhandler fløyene R, S og T, av et kontorbygg. Fløyene R og S har fem etasjer, mens T har fire. En overbygd glassgård kobler fløyene sammen. Samlet grunnflateareal er ca. 6 400 m2.Bygningen faller inn under risikoklasse 2 og brannklasse 3.

Casekapittelet ble utformet som en risikoanalyse som omfattet følgende forhold:

• Kontroll av tilstrekkelig rømningstid

• Kontroll av sikre rømningsforhold

•Vurdering av risiko for personskade

Simulering av forflytningstid ble utført i programmet Simulex. To ulike rømningsscenario er ble simulert; trapperommene A-D var tilgjengelig, og trapperommene A-D, samt interntrappene E og F var tilgjengelige. Reaksjons- og forflytningstiden, for de to scenarioene, var henholdsvis 6min og 6 sek, og 5min og 50sek.

Regnearkmodellen ALLSAFE Håndbok, ble anvendt til å bestemme nødvendig og tilgjengelig rømningstid. Simuleringen viste at nødvendig tid utgjorde 20 % av tilgjengelig. En mer nøyaktig simulering av deteksjonstiden ble utført i regnearket DETACT, som inngår i Spreadsheet Templates for Fire Dynamics Calculations. Nødvendig rømningstid utgjorde nå 26 %. Dette tilfredsstilte akseptkriteriet på ≤ 50 %.

Sikre rømningsforhold, vil si et pålitelig bæresystem og røykfrie rømningseier. Det ble gjennomført en dimensjonering av to betongsøyler, i kontorbyggets fløy S, ved hjelp av analyseprogrammet G-PROG Betong-Betonganalyse. Søylenes brannmotstand ble deretter bestemt ut i fra tabulerte verdier i Eurocode 1-1-2 (2008) og Eurocode 2-1-2 (2010). Søylene måtte tilsvaret kravet til minimum brannmotstand, R90. Det viste seg at søylen i 1.etg lå innenfor kravet, mens brannmotstanden til søylen i 4.etasje måtte analyseres nærmere. Denne søylen ble gjenstand for en håndberegning for reduserte tverrsnitt, 500°C-isotherm-metoden.Betongkvaliteten måtte forbedres for å tilfredsstille kravet på R90.

Det er krav om sprinkling i kontorlokalene. Røykutviklingen i disse arealene, ble antatt å ikke utgjøre noen trussel for rømningssituasjonen. Trapperom A-D, trykksettes. Termisk røykventilasjon ble valgt i den overbygde glassgården. Dimensjonerende åpningsareal til røyklukene og røykgasstemperaturen, ble simulert ved hjelp av forenklet metode i HO-3(2000). Nødvendig tillufts- og røyklukeareal ble 35m2 og røykgasstemperaturen 95°C.

Kravet til bygningsdelenes brannmotstand, som befinner seg under røyksjiktet i den overbygde glassgården, vil kunne reduseres noe. Reduksjonens størrelse må vurderes i forhold til røykventilasjonsanleggets pålitelighet og reduksjonen i termisk last.En av de største utfordringene ved bruk av simuleringsmodeller, er å vurdere deres gyldighetsområde og parametrenes sensitivitet. Tilstekkelig fagkunnskap, er nødvendig for å gjennomføre dette. Modellenes dokumentasjon, med kjente muligheter, begrensinger og forutsetninger, må studeres nøye.

Governing performance-based building codes encourages the use of analysis. The objective of this thesis is to provide an overview of current simulation models used in fire analysis, in the areas of evacuation, fire resistance and smoke ventilation. In addition, the selected models will be applied in a case study, to document satisfactory fire safety. The opportunities and challenges of this documentation method will be illuminated.

Simulation models can be divided into simplistic and deterministic computer models.Tabulated values, hand calculations and spreadsheets, can be considered as simplified models.These models provide quick calculations of certain fire phenomena, but will seldom provide an overview of the entire fire situation. Deterministic computer models are divided into zone and field models (CFD). Such models require a greater understanding of fire phenomena, but can simulate fire conditions with greater accuracy.

The analysis of sufficient safety during evacuation requires a consideration of evacuation time and -conditions. The spreadsheet model ALLSAFE Håndbok, can be used to simulate the necessary and available evacuation time. Movement time can be determined using Simulex,STEPS, or FDS + Evac. Spreadsheet Templates for Fire Dynamics Calculations from Fire RiskForum can be used to compute fire phenomena, like smoke and fire spread, and time to detection. A more realistic simulation of smoke and fire development can be done with the zone model Argos, or field model FDS.

Satisfactory fire resistance can be expressed through a time, capacity, or temperature aspect.The material response to the thermal fire load is an important factor. Dimensioning of loadbearing elements, are often carried out using the analysis software G-RPOG. Simulation of fire resistance can then be performed on the basis of tabulated values and hand calculation methods in the Eurocodes.

Smoke ventilation is a fire safety measures that reduces the thermal load of a fire. The measure has positive effects on the evacuation situation, and time to critical conditions occurs.Simulation of thermal and mechanical smoke ventilation may be based on tabulated values in Melding HO-3 (2000). Zone and field models that simulate smoke and fire spread are also important tools.

The case study deals with the wings R, S and T, of an office building. Wings R and S have five floors, while T has four. A glass covered courtyard connects the tree wings. The total surface area of the building is approximately 6 400 m 2. It falls under the risk class 2 and fire class 3.The case study was designed as a risk analysis that included the following:

• Verification of sufficient evacuation time

• Verification of safe evacuation conditions

• Risk assessment of life safety

Simulex was used to simulate necessary movement time. Two different evacuation scenarios were simulated: stair cases A to D were available, and stair cases A to D, as well as internalstairs E and F, were available. Reaction and movement time for the two scenarios were,respectively 6min and 6 sec, and 5min and 50sek.

The spreadsheet model ALLSAFE Håndbok, was used to determine necessary and available evacuation time. The simulation showed that the necessary time accounted for 20% of available time. A more accurate simulation of the detection time was performed with the worksheet DETACT, which is part of the Spreadsheet Templates for Fire Dynamics calculation.Now, necessary evacuation time accounted for 26% of available time. This satisfied the acceptance criterion of ≤ 50%.

Safe evacuation conditions require a reliable load bearing system and smoke-free escape routes. Two structural concrete columns, situated in the S-wing of the office building, were designed using the analysis program G-PROG Betong-Betonganalyse. The fire resistance of the columns was then determined from the tabulated values in Eurocode 1-1-2 (2008) and Eurocode 2-1-2 (2010). The columns had to meet the criterion of the minimum fire resistance,R90.This column was subjected to a hand calculation for reduced cross sections, 500°C isotherm method. The concrete quality had to be improved to satisfy the requirement of R90.

Sprinkling is required in the office area. The smoke development in these areas was assumed not to pose any threat to the evacuation situation. Staircases A to D are pressurized mechanically. Thermal smoke ventilation was selected in the glass covered courtyard. The design area of the smoke hatches and gas temperature in the smoke layer, was simulated using the simplified method in Melding HO-3 (2000). Required supply air and smoke hatch areawas 35m2 and the gas temperature was 95°C.

The fire resistance of load bearing structures located under the smoke-layer, in the glass covered courtyard, can be somewhat reduced. The decrease-size must be considered in relation to the reliability of the smoke ventilation system and the reduction of thermal load.One of the biggest challenges of using simulation models is to assess their validity range and sensitive parameters. Adequate knowledge of fire phenomena is required to implement this.The models' documentation, known opportunities, limits and conditions must be studied carefully.