Ondergeventileerde branden

Transcriptie

1 Onderzoeksrapport Ondergeventileerde branden Rob Tuenter 3 juni 27, Enschede Versie..

2 Ondergeventileerde branden Onderzoek naar het ontstaan van ondergeventileerde branden met gebruik van simulatieprogramma s Rob Tuenter Nieman Raadgevende Ingenieurs Dr. Van Lookeren Campagneweg BX Zwolle Opleiding: Forensisch Onderzoek Studentnummer: Opdrachtgever: Dhr. ir. R.A.P. (Ruud) van Herpen MSc. FlFireE School: Saxion Hogeschool Enschede Academie: Life Science, Engineering & Design Opleidingscoach: Dhr. ir. Corné Jägers ii

3 Voorwoord Het afstudeeronderzoek is de laatste module van de opleiding Forensisch Onderzoek te Saxion Enschede. In het kader hiervan is een onderzoeksrapport geschreven voor de opdrachtgever Dhr. R.A.P. van Herpen, technisch directeur van Nieman Raadgevende Ingenieurs. Dit onderzoeksrapport betreft het onderzoek naar ondergeventileerde branden met het gebruik van simulatieprogramma s. Voor het afstuderen heeft de student vijf maanden de tijd om het onderzoek uit te voeren en af te ronden. In de eerste maand is het plan van aanpak voor dit onderzoek opgesteld. Hiervoor zijn theoretische achtergronden omtrent het onderwerp gevonden via diverse bronnen. In de tweede maand zijn antwoorden gezocht voor de eerste twee deelvragen. Hierdoor werd het mogelijk om in de derde en vierde maand de onderzoeksvraag te behandelen. In de laatste maand zijn de laatste resultaten verwerkt en is dit onderzoeksrapport geschreven. Voor dit onderzoek is gebruik gemaakt van simulatieprogramma s. Aangezien dit onbekende technieken zijn, heeft het enige tijd gekost om dit goed te kunnen toepassen. Door het verdiepen en het gebruiken van deze onderzoekstechnieken heb ik mijn kennis op dit vakgebied kunnen verbeteren. Mede daardoor ben ik erg tevreden met het uiteindelijke resultaat. Gedurende deze vijf maanden heb ik een leuk en leerzaam onderzoek uitgevoerd. Graag zou ik Ruud van Herpen willen bedanken voor de werkplek, kennis en begeleiding tijdens deze periode. Daarnaast zou ik graag Lieuwe de Witte, onderzoeker bij Instituut Fysieke Veiligheid, willen bedanken voor de kennis en toepassingen voor de simulatieprogramma s. Tot slot zou ik graag Niels Strating en Niek Spijkerboer willen bedanken voor de hulp die zij geboden hebben. Rob Tuenter Enschede, 3 juni 27 iii

4 Samenvatting Jaarlijks vallen in Nederland ongeveer 4 doden en 8 tot 9 gewonden als gevolg van brand en verwacht wordt dat dit aantal de komende jaren zal stijgen. Hierdoor is het belang voor brandveiligheid toegenomen. Door nieuwe gebouwkenmerken die ontstaan zijn in de laatste jaren, komt het optreden van ventilatiegecontroleerde branden steeds vaker voor. Daarom was er vraag naar meer informatie omtrent het optreden van dergelijke branden. Om dit onderzoek te kunnen realiseren is de volgende onderzoeksvraag opgesteld: Hoe kan tijdens de ontwikkelfase een ventilatiegecontroleerde brand ontstaan in een ruimte die niet volledig is afgesloten van buitenlucht?. Hierbij horen de volgende drie onderzoeksvragen: Welke aanwezige bouwkundige en brandstof gerelateerde randcondities hebben invloed op het brandverloop in een verblijfsruimte die niet volledig afgesloten is van verse lucht? Welk simulatieprogramma is het best toepasbaar om onderzoek te doen naar ondergeventileerde branden? Hoe kunnen de verkregen resultaten worden toegepast en in de praktijk getoetst worden? In het eerste stadium van het onderzoek vond literatuuronderzoek plaats om antwoord te krijgen op de eerste twee deelvragen. Wanneer deze twee vragen beantwoord werden, konden de experimenten uitgevoerd worden. De experimenten zijn uitgevoerd door gebruik te maken van een simulatieprogramma. De keuze uit de mogelijke simulatieprogramma s waren CFast (versie 7.2..), Ozone (versie 2.2.7), FDS (versie 6.5.3) en B-RISK (versie 26.2). Het antwoord op de eerste deelvraag luidt: de factoren die invloed hebben op het brandverloop zijn de vuurlast in de ruimte, het warmtetransport (straling, convectie en geleiding), de afmeting en indeling van de brandruimte, concentratie van de aanwezige zuurstof, grootte en hoogte van openingen (ventilatie), weersomstandigheden (windsnelheid, windrichting, luchtvochtigheid en temperatuur) en de druk in de ruimte. Het antwoord op de tweede deelvraag luidt: het simulatieprogramma CFast is het best toepasbaar voor dit onderzoek. FDS was niet geschikt voor een dergelijk onderzoek. Ook viel Ozone af aangezien hierbij gebruik werd gemaakt van een één-zone model, waardoor het toepassingsgebied ten opzichte van CFast en B-RISK minder breed is. B-RISK lijkt op CFast, maar B-RISK kan werken met statische data en dat is niet nodig. Daardoor bleef CFast als meest geschikt over. In CFast werd het mogelijk om een ventilatiegecontroleerd brandverloop te creëren wanneer de juiste invoerwaarden voor compartiment, ventilatie eigenschappen en brandeigenschappen gebruikt werden. Hierdoor ontstond een dusdanige mengverhouding in de brandruimte, dat de brand ging smoren en de temperatuur ging dalen. Een ventilatiegecontroleerd brandverloop in CFast kon herkend worden wanneer de waarde voor C LOL berekend wordt aan de hand van de verkregen resultaten. Wanneer deze een waarde van geeft, is de brand ventilatiegecontroleerd. Opmerkelijk is dat CFast de totale hoeveelheid zuurstof in de ruimte heeft gebruikt, zelfs wanneer de brand zich alleen in de onderste laag bevond. De verkregen resultaten kunnen in de praktijk getoetst worden. Door dit op schaal uit te voeren, kunnen (mogelijke) kosten worden bespaard. Hierbij wordt aanbevolen om gebruik te maken van betonblokken als omranding van de brandruimte. Er kan gekozen worden om zowel een vloeistof of vaste stof als brandstof te gebruiken. Beide hebben voor- en nadelen. Bij deze experimenten moet een temperatuurmeter, drukmeter en zuurstofmeter aanwezig zijn om vergelijkbare resultaten te krijgen. iv

5 Lijst met symbolen en begrippen Symbolen A lekkagegebied (grootte opening) [m²] A e gelijkwaardig lekkagegebied [m²] c f vormfactor [-. < c f <.] c p specifieke warmtecapaciteit [J/kg.K] C LOL factor lagere zuurstoflimiet [ < C LOL <.] ε emissie g valversnelling [m/s²] h hoogte [m] HRR heat release rate [kw] m massa [kg] n hoeveelheid gas [mol] σ spanning [N/mm²] p druk [Pa] ρ a dichtheid buitenlucht [kg/m³] ρ e dichtheid uitstromende lucht [kg/m³] P drukverschil [Pa] Q energie [J] R gasconstante [J.K - mol - ] T temperatuur [K] of [C] T a temperatuur buitenlucht [K] T e temperatuur uitstromende lucht [K] T g temperatuur binnenlucht (rooklaag) [K] T temperatuursverschil [K] t tijd [s] tanh tangens hyperbolicus V volume [m³] v windsnelheid [m/s] λ muurweerstand coëfficiënt [-] v

6 Begrippen Backdraft: Cellulose: Dorpel: Emissie: Flashover: Een gebeurtenis in een ruimte waarbij plotselinge zuurstoftoevoer plaatsvindt waar voldoende temperatuur en brandstof aanwezig is. Hierdoor ontstaat een (explosieve) reactie. Wordt aangemaakt door planten. Hout bevat veel cellulose. De onderkant van de omranding van een raam. Uitstoot van schadelijke stoffen. Moment in de brandontwikkeling waarbij alles in de ruimte komt te ontbranden. Hyperbolische functie: Een in de wiskunde gebruikte functie. Koof: Lijzijde: Loefzijde: Probabilistisch: Pyrolyse: Soortelijke warmte: Stationair: De bovenkant van de omranding van een raam. De zijde die in de luwte ligt van de wind. De zijde waar de wind inkomt. Een benadering van technische ontwerpen waarbij rekening gehouden wordt met risico s en onzekerheden. Een stof is aan het pyrolyseren wanneer er brandbare rookgassen ontstaan als gevolg van een bepaalde temperatuur. Beschrijving van de benodigde hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van een massaeenheid te verhogen met een temperatuursinterval. Een proces die onafhankelijk is van de tijd. Vermogensdichtheid: Vermogen per volume-eenheid van een kern. vi

7 Inhoudsopgave Voorwoord... iii Samenvatting... iv Lijst met symbolen en begrippen... v. Inleiding..... Aanleiding Doelstelling Afbakening Leeswijzer Theoretisch kader Branddriehoek en -vijfhoek Ventilatiegecontroleerd brandverloop Brandkromme Ventilatie Drukopbouw Warmtetransport Ruimte experiment IFV Indeling experimenthuis Kanttekening Methoden en materialen Literatuuronderzoek Opbouw experimenten Ruimtebepaling experiment Brandeigenschappen Input experimenten Verwerking van resultaten Materialen Resultaten Bouwkundig- en brandstof gerelateerde randcondities Vuurlast Afmetingen en inrichting ruimte Conclusie deelvraag Keuzebepaling simulatieprogramma CFast Ozone FDS... 8 vii

8 B-RISK Conclusie deelvraag Resultaten experimenten Resultaten experiment Resultaten experiment Ventilatiegecontroleerde branden Conclusie Discussie Aanbevelingen Bibliografie Bijlagen... I Bijlage Afmetingen experimenthuis Zutphen... I Bijlage 2 Indeling experimenthuis Zutphen... III Bijlage 3 Berekening compartimentgrootte... V Bijlage 4 eigenschappen experiment... VI Bijlage 5 berekeningen oppervlakten openingen... VIII Bijlage 6 Resultaten Experiment... IX Bijlage 7 Resultaten experiment 2... XII Bijlage 8 Resultaten experiment 3... XV Bijlage 9 Resultaten experiment 4... XVIII Bijlage Resultaten experiment 5... XXI Bijlage Resultaten experiment 6... XXIV Bijlage 2 Resultaten experiment 7... XXVII Bijlage 3 Resultaten experiment 8... XXX Bijlage 4 Resultaten experiment 9... XXXIII Bijlage 5 Resultaten experiment... XXXVI Bijlage 6 Resultaten experiment... XXXIX Bijlage 7 Resultaten experiment 2... XLII viii

9 . Inleiding Jaarlijks vinden er in Nederland circa 4. branden in woningen en bedrijven plaats. Bij deze branden vallen gemiddeld 4 doden en tussen de 8 en 9 gewonden (Groenewegen - ter Morsche, Kobes, Mertens, & van Rossum, 23). Door de toenemende vergrijzing, in combinatie met de zelfstandig wonende minder zelfredzamen, wordt verwacht dat het aantal slachtoffers bij brand de komende jaren zal toenemen met 6% (Groenewegen - ter Morsche, Kobes, Mertens, & van Rossum, 23). Bij deze branden kan de schade groot zijn. Een gevolg hiervan is dat het belang van brandveiligheid toeneemt. De brandweer heeft de ambitie om het aantal slachtoffers bij brand te minimaliseren en wil de effectiviteit van de repressieve inzet vergroten. Hierdoor ontstaat uiteindelijk minder economische schade, minder maatschappelijke ontwrichting en minder milieubelasting (Hazebroek, Greven, Groenewegen-Ter Morssche, & van den Dikkenberg, 25). Binnen de brandveiligheid wordt Fire Safety Engineering (FSE) steeds vaker toegepast. Fire Safety Engineering is een toegepaste brandveiligheidskunde, waarbij het ontwerpen van brandveilige gebouwen centraal staat. Bij Fire Safety Engineering bestaat samenhang tussen drie verschillende componenten: brandkenmerken (brandfysica), gebouwkenmerken (bouwtechniek) en menskenmerken (psychonomie) (Kiffen, 26). Figuur toont een schematische weergave van deze samenhang. Figuur, Fire Safety Engineering In de loop der jaren hebben er veranderingen plaatsgevonden in de gebouwkenmerken. Een voorbeeld hiervan is dat ruimten in woningen beter geïsoleerd zijn dan vroeger, om warmteverlies en CO 2- uitstoot zo veel mogelijk te reduceren. Dit is een positief effect. Echter treden er ook meer risico s op ten tijde van brand. Eén van deze risico s is het ontstaan van ondergeventileerde branden. Het begrip ondergeventileerde brand is een brand die vóór de flashover ventilatiegecontroleerd raakt (Lambert, 2). Een ventilatiegecontroleerde brand is een type brand waarbij voldoende warme temperatuur en brandstof aanwezig is, maar te weinig zuurstof. Hierdoor is de hoeveelheid zuurstof de variabele die bepaald in welke mate de brand zich ontwikkeld. In deze situatie is er gevaar voor het optreden van een backdraft. Het begrip backdraft wordt nader toegelicht in paragraaf 2.2. Bij Nieman Raadgevende Ingenieurs is vraag naar meer informatie omtrent het optreden van ondergeventileerde branden, aangezien dit grote risico s met zich mee kan brengen. Daarom richt dit onderzoek zich op het ontstaan van ondergeventileerde branden... Aanleiding Er is in het jaar 25 onderzoek gedaan door de brandweeracademie naar brandverloop en overleefbaarheid in woningen. Dit is onder realistische omstandigheden uitgevoerd doordat er zes experimenten zijn volbracht in bestaande woningen in Zutphen. Deze testen waren voorzien van diverse meetapparatuur, waardoor de temperatuur, zuurstofpercentage en stikstofpercentage gemeten konden worden. Hierbij zijn representatieve resultaten verkregen. Het doel van dit onderzoek was om inzicht te krijgen in het brandverloop in moderne huishoudens.

10 Bij één van deze experimenten werd een scenario gecreëerd waarbij de ontstaanslocatie van de brand in de grote slaapkamer op de eerste verdieping was. Deze slaapkamer was aan de voorzijde van het huis. Hierbij is de deur van de slaapkamer naar de overloop gesloten, maar zijn de ramen aan de voorzijde van de ruimte geopend voor de toevoer van buitenlucht. In dit scenario vatte het bed vlam door een defect in een elektrisch deken. De brand ontwikkelde zich in de eerste minuten erg snel (na slechts vier minuten en 2 seconden ontstond er een nietoverleefbare situatie). In deze ruimte steeg de temperatuur snel naar 287,2 C, maar vrijwel direct daarna zakte deze temperatuur fors. Op dit moment was er nog voldoende zuurstof in deze ruimte aanwezig om de brand verder te laten ontwikkelen. Echter gebeurde dit niet. Vlak daarna daalde het zuurstofpercentage door een (nog) niet bekende reden. De hoeveelheid brandstof was op dit moment nog voldoende aanwezig, waardoor geconcludeerd werd dat een gebrek aan zuurstof de reden is geweest dat de brand is gaan smeulen (Hazebroek, Greven, Groenewegen-Ter Morssche, & van den Dikkenberg, 25). Dit is een opvallende gebeurtenis in de brandontwikkeling, waardoor vraag is ontstaan naar informatie over het optreden van deze gebeurtenis. Het is dus mogelijk dat bovenstaande gebeurtenissen kunnen optreden in praktijksituaties. Vanuit Nieman Raadgevende Ingenieurs werd de vraag gesteld of en hoe dit kan optreden in simulatieprogramma s. Daarom worden simulatieprogramma s als methode toegepast tijdens dit onderzoek. Een simulatieprogramma is een programma op een computer die het verloop van een brand kan simuleren op basis van natuurkundige berekeningen. Hierbij moet een bepaalde input ingevoerd worden. Deze input kan de gebruiker dusdanig aanpassen zodat het toegepast kan worden bij het onderzoek dat verricht wordt..2. Doelstelling De doelstelling van dit onderzoek is het verkrijgen van meer informatie omtrent het optreden van een ventilatie gecontroleerd brandverloop tijdens de ontwikkelfase van een brand. Hierbij wordt onderzocht waarom de brandontwikkeling niet uitbreidt, ondanks dat theoretisch gezien zuurstoftoevoer vanuit buitenlucht mogelijk is. Om deze doelstelling te behalen, is de volgende onderzoeksvraag opgesteld: Hoe kan tijdens de ontwikkelfase een ventilatiegecontroleerde brand ontstaan in een ruimte die niet volledig is afgesloten van buitenlucht?. Deze onderzoeksvraag is SMART opgesteld: het moet specifiek, meetbaar, acceptabel, realistisch en tijdgebonden zijn. Om een representatief antwoord te krijgen op deze onderzoeksvraag, zijn de volgende deelvragen opgesteld: Deelvraag : Welke aanwezige bouwkundige en brandstof gerelateerde randcondities hebben invloed op het brandverloop in een verblijfsruimte die niet volledig afgesloten is van verse lucht? Deelvraag 2: Welk simulatieprogramma is het best toepasbaar om onderzoek te doen naar ondergeventileerde branden? Deelvraag 3: Hoe kunnen de verkregen resultaten uit een simulatieprogramma in de praktijk worden toegepast en getoetst worden? 2

11 Zodra de eerste twee deelvragen beantwoord kunnen worden, kan de gewonnen informatie worden toegepast om uiteindelijk de onderzoeksvraag te beantwoorden. Deelvraag 3 wordt beschreven in de vorm van een aanbeveling..3. Afbakening Dit onderzoek kent enkele afbakeningen om een kwalitatief goed onderzoek uit te kunnen voeren in vijf maanden tijd. De focus van dit onderzoek wordt gelegd op beginnende branden in een veel voorkomende ruimte in Nederlandse huishoudens. De ruimte die hiervoor gekozen is, is een slaapkamer die fysisch gezien zo veel mogelijk overeenkomt met de slaapkamer die gebruikt is voor het experiment in Zutphen. De reden hiervoor is omdat er bij die situatie in de praktijk een ondergeventileerde brand optrad. Daarom kan dit gebruikt worden als vergelijkingsmateriaal voor de experimenten die toegepast worden in het simulatieprogramma. De simulatieprogramma s die gebruikt worden voor dit onderzoek zijn programma s die beschikbaar gesteld zijn door Nieman Raadgevende Ingenieurs. Deze programma s zijn CFast (V 7.2..), Ozone (V 2.2.7), FDS (V 6.5.3) en B-RISK (V 26.2). Deze programma s worden met elkaar vergeleken en het meest geschikte programma wordt toegepast voor het onderzoek. Tijdens de simulaties worden gevoeligheidsanalyses uitgevoerd om verschillen in de input kenbaar te maken. Uit verder onderzoek zal gaan blijken welke variabelen gebruikt worden voor de gevoeligheidsanalyses. Bij dit onderzoek worden enkele natuurkundige formules geformuleerd. Deze formules worden gebruikt als toelichting van de theorie en worden dus niet toegepast in een berekening. Het vermelden van deze formules is ter verduidelijking van de bijbehorende theorie. Hierdoor kan theorie gevisualiseerd worden in de vorm van een voorbeeld..4. Leeswijzer Dit verslag bevat acht hoofdstukken. Hier wordt een overzicht weergegeven over de inhoud van deze hoofdstukken. Voor de inhoudsopgave bevindt zich de samenvatting en een lijst met symbolen en begrippen. In de samenvatting staat een kort verslag van het onderzoek waarin globaal de uitvoering en de resultaten kunnen worden gelezen. De lijst met symbolen en begrippen bevatten symbolen die gebruikt worden in de natuurwetenschappelijke formules met de bijbehorende eenheden. Tevens worden hier ter verduidelijking relevante begrippen gedefinieerd. Hoofdstuk 2 gaat verder met de theoretische achtergronden die betrekking hebben op dit onderzoek. Dit is dusdanig opgebouwd dat er eerst globale theorieën worden omschreven die steeds specifieker worden en dieper gaan in dit onderzoek. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 beschreven welke methoden zijn toegepast en welke materialen daarvoor benodigd waren. Hierdoor wordt een duidelijk beeld verkregen over de manier waarop de experimenten zijn uitgevoerd. In hoofdstuk 4 worden de resultaten uitgebreid toegelicht. Hier worden de resultaten per deelvraag vermeld. Daarop volgt het resultaat voor de onderzoeksvraag. In hoofdstuk 5 wordt de conclusie getrokken. Hierin wordt de beantwoording gegeven van de onderzoeksvraag. Hierop volgt de discussie van het onderzoek. Dit wordt vermeld in hoofdstuk 6. De aanbevelingen die worden gedaan als gevolg van de resultaten van dit onderzoek, worden weergegeven in hoofdstuk 7. Daaropvolgend wordt in hoofdstuk 8 de bibliografie vermeld. Hierin staan bronnen vermeld volgens de APA-norm. Tot slot volgen de bijlagen die betrekking hebben op het onderzoek. 3

12 2. Theoretisch kader 2.. Branddriehoek en -vijfhoek Brand is een chemische reactie tussen zuurstof en brandstof bij een bepaalde temperatuur waarbij energie vrijkomt. Zuurstof, brandstof en temperatuur zijn de drie componenten die de branddriehoek vormen zoals weergegeven in figuur 2. De brandontwikkeling is erg afhankelijk van deze drie factoren. Wanneer er ook maar één verandering optreedt bij een van deze componenten, kan een brand plotseling in intensiteit sterk toenemen of afnemen. Aanvullend op de branddriehoek is ook de brandvijfhoek opgesteld. Hierbij zijn de termen mengverhouding en katalysator toegevoegd. Met mengverhouding worden de aanwezige concentraties van een brandstof en zuurstof bedoeld en in welke verhouding deze aanwezig zijn. Een katalysator is een stof die de snelheid van een chemische reactie kan versnellen, zonder daarbij zelf verbruikt te worden. In figuur 3 is de brandvijfhoek weergegeven. Figuur 2, branddriehoek Figuur 3, brandvijfhoek De brandstof bestaat uit de meeste gevallen uit een vloeistof of een vaste stof. Deze stoffen kunnen niet spontaan gaan ontbranden, daar is een verhitting voor nodig. Wanneer de brandstoffen worden blootgesteld aan een bepaalde temperatuur komen gassen vrij die brandbaar zijn. Dit fenomeen heet pyrolyse en deze gassen worden ontledingsgassen genoemd. De temperatuur die behaald moet worden om deze gassen te laten vrijkomen is afhankelijk van het type brandstof (Boot-Dijkhuis, Eggink- Eilander, Ruytenbeek, & van den Berg, 24) Ventilatiegecontroleerd brandverloop Een brand is in de beginfase vaak brandstofgecontroleerd, aangezien er in de directe omgeving voldoende zuurstof aanwezig is. Wanneer de brandontwikkeling toeneemt, is er meer zuurstof nodig. Bij een verdere ontwikkeling van de brand komt het vaak voor dat de benodigde zuurstof hoger is dan de beschikbare zuurstof. Dit fenomeen wordt een ventilatiegecontroleerde brand genoemd, omdat de hoeveelheid zuurstof de factor is die het verdere brandverloop bepaald. De term ondergeventileerde brand wordt vaak gebruikt om hetzelfde te beschrijven, echter is de definitie van dit begrip niet gelijk aan de definitie van een ventilatiegecontroleerde brand. Een ondergeventileerde brand is een brand die vóór de flashover ventilatiegecontroleerd raakt (Lambert, 2) In principe raken bijna alle branden in (gesloten) ruimten ventilatiegecontroleerd. Ventilatiegecontroleerde branden kunnen in de praktijk erg gevaarlijk zijn. Hierbij is er een tekort aan zuurstof, waardoor onvolledige verbranding optreedt. Hierdoor kan de brand gaan smoren. De verbranding met vlammen stopt wanneer er minder dan 5% zuurstof aanwezig is in de ruimte. Dit is een veelgebruikte aanname. Bij hogere temperaturen kan dit percentage echter een heel andere waarde zijn (bijvoorbeeld %). Een tekort aan zuurstof betekent echter niet dat het ontledingsproces 4

13 van de aanwezige materialen ook stopt. Wanneer er nog voldoende brandstof en er een hoge temperatuur aanwezig is in de ruimte, kunnen alsnog brandbare gassen ontstaan (van Herpen, 27). Deze gassen gaan zich ophopen in een rooklaag. Hierdoor neemt de concentratie van de brandbare gassen toe en zal dus de brandbaarheid toenemen. Wanneer er weer een toevoer van zuurstof plaatsvindt (bijvoorbeeld door plotseling openen van ramen of deuren), gaat deze rooklaag (explosief) ontbranden (Weewer, Tonnaer, Karemaker, Flohr, & de Witte, 26). Deze gebeurtenis wordt een backdraft genoemd Brandkromme Om het verloop van branden in een ruimte beter te kunnen begrijpen, is een standaard-brandkromme opgesteld. Deze brandkromme laat het verloop van een brand zien wanneer deze niet wordt beïnvloed door externe factoren, bijvoorbeeld: de inzet van de brandweer. Een standaard-brandkromme is weergegeven in figuur 4. In de praktijk wijkt het verloop van een brand altijd af van de standaardbrandkromme. Dit komt omdat de omvang en intensiteit van iedere brand anders is. Dit wordt namelijk bepaald door de zuurstoftoevoer, de vorm van de ruimte, het gedrag van omringende objecten en de vuurbelasting in de ruimte (Hendrix, 2). Figuur 4, de standaard-brandkromme In de standaard-brandkromme zijn vier fases meegenomen: het beginbrandje, de ontwikkelingsfase, de brandperiode en de smeulperiode. De eerste periode is de periode dat er een lokaal brandje ontstaat. In de ontwikkelperiode gaat dit brandje zich uitbreiden en treedt pyrolyse op bij omliggende objecten. Het brandscenario in deze periode wordt bepaald door branduitbreidingssnelheid en vermogensdichtheid (Voogd & van Herpen, 27). De ontwikkelperiode duurt tot het flashover-punt bereikt is. Dit is het moment wanneer er in de ruimte een dusdanig hoge temperatuur bereikt wordt (tussen 25 C en 35 C), dat de rookgaslaag, die ontstaan is in de ontwikkelperiode, komt te ontbranden. Tijdens de flashover kunnen de temperaturen al snel oplopen tot boven de 6 C. Hierdoor is de stralingsenergie die vrijkomt zo hoog dat de voorwerpen in de ruimte komen te ontbranden. Deze periode heet de brandperiode. In deze periode bereikt de afbrandsnelheid een maximaal niveau, afhankelijk of het een ventilatiegecontroleerd- of brandstofgecontroleerd brandverloop heeft (Voogd & van Herpen, 27). Wanneer de brandstof of zuurstof verminderd in de ruimte, wordt de intensiteit van de brand minder. Uiteindelijk gaat de brand vanzelf uit. Deze periode heet de smeulperiode. De afbrandsnelheid in deze periode neemt lineair af met de tijd. Er wordt een aanname gedaan dat de smeulperiode begint wanneer ongeveer 7% van de brandstof is verbruikt (Voogd & van Herpen, 27). In deze periode kan echter een brand weer oplaaien wanneer er een zuurstoftoevoer plaatsvindt. Figuur 5 laat een schematische weergave zien van dit brandvermogensscenario. 5

14 Figuur 5, brandvermogensscenario De brandkromme van een ventilatiegecontroleerde brand wijkt vanzelfsprekend af van de standaardbrandkromme, omdat hierbij een externe factor invloed heeft op het brandverloop. De vuurlast is hetzelfde. De rode lijn in figuur 6 laat zien hoe het brandverloop is wanneer er een tekort aan zuurstof aanwezig is in de ruimte tijdens de ontwikkelperiode. Hierbij wordt het flashover-punt niet bereikt en smeult de brand uit. Figuur 6, brandkromme met zuurstoftekort Figuur 7, brandkromme met plotselinge zuurstoftoevoer Bij een ventilatiegecontroleerde brand worden, net als bij een normale brand, brandbare rookgassen gevormd. Wanneer er tijdens de smeulperiode een vorm van zuurstoftoevoer mogelijk wordt gemaakt (door plotseling openen van ramen of deuren), ontstaat er een (explosief) mengsel van zuurstof en brandstof. Hierdoor kan een backdraft optreden (zie figuur 7) Ventilatie De mate van ventilatie in een ruimte is erg bepalend voor een brandverloop. Ventilatie houdt in: het proces dat afvalgassen de ruimte kunnen verlaten en de ruimte wordt gevuld door verse buitenlucht (verversen). Dit is afhankelijk van de openingsfactor en de luchtfactor. De openingsfactor is een factor die de hoeveelheid ventilatie vertegenwoordigt, afhankelijk van de oppervlakten van openingen in de ruimte, de totale omhullende oppervlakte van het compartiment (vloer, wanden en plafond) en de hoogte van deze openingen in de wanden (Voogd & van Herpen, 27). De luchtfactor is een factor die de mate van luchttoevoer tot de brandhaard beschrijft, in verhouding met de benodigde luchttoevoer voor een volledige verbranding. De luchtfactor is groter dan wanneer er een overmaatse luchttoevoer bij brandstofgecontroleerde branden plaatsvindt en kleiner dan wanneer er een ondermaatse luchttoevoer bij ventilatiegecontroleerde branden plaatsvindt (Voogd & van Herpen, 27). Daarnaast is de wind belangrijk voor de ventilatie in een ruimte. Hierbij wordt de windrichting en de windkracht meegenomen. Windstromingen rond woningen kunnen drukverschillen laten optreden. Aan de loefzijde van verticale vlakken van de woningen zal overdruk optreden en aan de lijzijde een onderdruk. Woningen met daken die een hoek hebben van meer dan 45, hebben overdruk aan de loefzijde en onderdruk aan de lijzijde. Bij daken waarvan de hoek minder is dan 3 zal er over het 6

15 gehele dak onderdruk zijn (Svensson, 25). Er bestaat een formule waarbij het drukverschil berekend kan worden door toedoen van de wind. Deze formule luidt: P =.5 c f ρ a v² () Hierbij is de vormfactor c f een waarde tussen de - en. Wanneer er sprake is van volledige negatieve druk, is de waarde -. Wederzijds is de waarde wanneer er sprake is van een volledige positieve druk (Tenbült, 27) Drukopbouw Bij een brand in een ruimte neemt de temperatuur toe. Ook neemt de druk toe in deze ruimte. De druk is de kracht die per oppervlakte-eenheid uitgeoefend wordt. Meestal is de eenheid gegeven in pascal (Pa), maar het kan ook worden weergegeven in bar of atmosfeer. Druk en temperatuur hebben een verband met elkaar. Dit verband kan worden beschreven door de algemene gaswet: pv = nrt (2) Hierin is te zien dat wanneer de temperatuur toeneemt, de druk ook moet toenemen (het volume, de hoeveelheid gas en de gasconstante blijven hierbij gelijk). Ook kan het drukverschil in de ruimte ten opzichte van de buitenlucht berekend worden. Hiervoor zijn twee formules (Tenbült, 27): P = ( HRR )² (c p T e A e ) (3) 2 ρ e P = 353 ( T a T g ) g h (4) In een ruimte waar brand is, treedt drukverschil op. De hoogte van het drukneutrale vlak wordt mede bepaald door het drukverschil in de ruimte. De exacte hoogte van dit drukneutrale vlak wordt bepaald door de aanwezigheid en grootte van openingen in de brandruimte en de snelheid van de temperatuur toename. De hoogte van het drukneutrale vlak is van belang voor de instroom van buitenlucht, en dus zuurstof. Onder het drukneutrale vlak kan luchttoevoer optreden via openingen en daarboven treedt luchtafvoer op (Voogd & van Herpen, 27). Wanneer het drukneutrale vlak dus lager komt te liggen dan de openingen in de ruimte, vindt er (bijna) geen luchttoevoer plaats. Dit komt omdat de druk in de brandruimte hoger is dan de druk in de buitenlucht, waardoor er dus (vooral) uitstroom van rookgassen plaatsvindt. Dit verklaart dat er een tekort aan zuurstof kan optreden terwijl er openingen in de brandruimte zijn. Figuur 8 is een weergave van een drukneutraal vlak in een brandruimte, waarbij instroom van buitenlucht nog mogelijk is, omdat er een opening aanwezig is die lager is dan de hoogte van het drukneutrale vlak. In figuur 9 is te zien dat er geen instroom van lucht meer mogelijk is door de opening. Er kunnen zelfs situaties ontstaan waarbij het drukneutraal vlak zich onder het vloerniveau bevindt, waardoor alleen gasmassa uitstroomt en uiteindelijk zuurstoftekort optreedt. Figuur 8, drukneutraal vlak hoger dan opening Figuur 9, drukneutraal vlak lager dan opening 7

16 2.6. Warmtetransport Er is een verband tussen het warmtetransport en de vuurlast in een ruimte. Beide factoren zijn namelijk afhankelijk van overeenkomstige variabelen. Zo is ook bij warmtetransport de grootte en indeling van de ruimte belangrijk. Er zijn drie verschillende typen van warmtetransport: Straling, geleiding en convectie. Alle drie typen warmtetransport hebben een verschillende uitwerking. Voor onderstaande uitwerking gaat het alleen om situaties waarbij stationair warmtetransport toegepast kan worden. Warmtestraling is een elektromagnetische straling die een object uitzendt als gevolg van een temperatuurverschil van dit object. Deze straling verspreidt zich in alle richtingen. De stralingsenergie kan berekend worden met de formule: Q straling = ε σ A T 4 (5) In formule 5 wordt het verband tussen de hoogte van de temperatuur en de hoeveelheid stralingsenergie dat vrijkomt weergegeven. Warmtegeleiding is een proces waarin een bepaald materiaal warmte doorgeeft van plaats A naar B. De mate van warmtegeleiding is een materiaaleigenschap en is dus per type materiaal verschillend. Metalen zijn relatief goede warmtegeleiders, terwijl lucht een goede warmte-isolator is. Dit wil zeggen dat lucht geen goede warmtegeleider is. Daarom wordt ingesloten lucht vaak gebruikt als isolatiemateriaal. Hierbij moet lucht wel stilstaan want lucht dat beweegt kan alsnog temperatuur vervoeren. De warmtegeleidingscoëfficiënt λ bepaald de mate van warmtegeleiding door een materiaal. De geleidingsenergie kan bepaald worden met de formule 6. Q geleiding = λ A T d (6) Warmteconvectie is een warmtestroming door verplaatsing van temperatuur door de lucht in een ruimte. Dit vindt plaats doordat een verschil in de temperatuur een verschil in dichtheid en druk veroorzaakt. De hete rookgassen gaan omhoog doordat deze een lagere dichtheid hebben dan omringende gassen. Bij het optreden van een drukverschil is er sprake van gedwongen convectie. De grootte van de energie van convectie kan berekend worden met formule 7. Q convectie = dmc T dt (7) Figuur is een weergave van de verschillende typen warmtetransport (Energy Products Group, 27). Figuur, Warmtetransport 8

17 2.7. Ruimte experiment IFV Dit onderzoek richt zich op het creëren van een ondergeventileerde brand door gebruik te maken van een simulatieprogramma. Bij een simulatieprogramma is het mogelijk om afmetingen in te voeren van een compartiment waarin de brand zich bevindt. De afmetingen die hiervoor gekozen zijn, zijn overeenkomstig met de afmetingen van de slaapkamer van de experimenten die hebben plaatsgevonden in Zutphen. Voor het experiment in Zutphen is een woonhuis gebruikt in de woonwijk De Mars. Dit woonhuis had een begane grond, eerste verdieping en een zolder. De afmetingen van de begane grond en van de eerste verdieping zijn opgemeten. De bovenaanzichten van de afmetingen kunnen gevonden worden in bijlage. Hierin is te zien dat de begane grond bestaat uit een doucheruimte, keuken, woonkamer, hal en toiletruimte. De eerste verdieping is onderverdeeld in drie ruimten: één overloop en twee slaapkamers. In het plafond van de overloop zit een luik bevestigd die leidt naar de zolder. De ramen van de ruimten op de eerste verdieping zijn voorzien van enkel glas. Slaapkamer 2.2. bevat in plaats van enkel glas een veluxraam (Hazebroek, Greven, Groenewegen-Ter Morssche, & van den Dikkenberg, 25) Indeling experimenthuis Destijds is er bij de experimenten een realistische indeling van de ruimten toegepast, rekening houdend met huishoudens in Nederland. De exacte indeling van het woonhuis kan gevonden worden in bijlage 2. Bij de indeling zijn meubels gebruikt van bekende meubelzaken met het oog op goedkoop. Dit is gedaan omdat de inrichting bepaald is vanuit een financieel perspectief van een jong gezin (Hazebroek, Greven, Groenewegen-Ter Morssche, & van den Dikkenberg, 25) Kanttekening Het creëren van een zo realistisch mogelijke situatie was het uitgangspunt voor deze experimenten. Er zijn echter enkele kanttekeningen geplaatst (Hazebroek, Greven, Groenewegen-Ter Morssche, & van den Dikkenberg, 25): Het betrof een sloopwoning die een lange tijd niet bewoond was. Daardoor was er waarschijnlijk een hoger vochtpercentage dan bij een bewoond woonhuis. De gebruikte meubels zijn wel opgeslagen in een semi-verwarmde omgeving. Het laminaat en/of vloerbedekking in de woning zijn verwijderd. Hierdoor is de vuurlast lager dan gebruikelijk. Om dit te compenseren is er multiplex neergelegd. Er zijn geen grote en dure meubels geplaatst. Hierdoor ontstond er een relatief lage vuurlast. De woning is goed geventileerd doordat de woning relatief open was, met name op de bovenverdieping. 9

18 3. Methoden en materialen Om antwoord te krijgen op de opgestelde onderzoeksvraag, is het uitvoeren van praktijkexperimenten een passende methode. Echter door het gelimiteerde tijdsbestek is gekozen om deze data te ontvangen van het IFV, aangezien daar al datagegevens bekend waren. Met de beschikking van deze data kan een simulatieprogramma dit probleem oplossen. Om een goed model te creëren voor dit programma is literatuuronderzoek noodzakelijk. 3.. Literatuuronderzoek Literatuuronderzoek is nodig voor de beantwoording van de eerste twee deelvragen. Daarom is in het eerste stadium van het onderzoek vooral deskresearch uitgevoerd aan de hand van literatuur dat verkregen is door Nieman Raadgevende Ingenieurs. Door de verkregen literatuur zijn externe bronnen gevonden die verwant zijn aan het onderzoek. Hiervoor is de sneeuwbalmethode uitgevoerd. Dit betreft vooral literatuur uit rapportages van Instituut Fysieke Veiligheid (IFV) en van (internationale) branddeskundigen. Voor het zoeken naar nieuwe bronnen op het internet is gebruik gemaakt van Google Scholar. Dit is een bekende zoekmachine waar wetenschappelijke literatuur gevonden kan worden. Deze bronnen hebben een hoge betrouwbaarheid doordat deze rapporten grondig gecontroleerd zijn door commissies, op bepaalde vereisten, voordat deze gepubliceerd worden. Hiernaast is gebruik gemaakt van het netwerk die ontstaan is gedurende de opleiding Forensisch Onderzoek. Hierdoor kon kennis en ervaring vanuit het werkveld toegepast worden. Dit heeft een bijdrage geleverd aan het onderzoek naar de eerste deelvraag. Om de tweede deelvraag te kunnen beantwoorden is gebruik gemaakt van gebruikshandleidingen en zogenoemde technical references van de simulatieprogramma s. Hierin staat uitgebreid vermeld op welke wijze de programma s te werk gaan, gelet op de technische eigenschappen. Doordat het IFV destijds de experimenten in Zutphen heeft uitgevoerd, en omdat veel literatuur afkomstig is van Instituut Fysieke Veiligheid, is ter aanvulling van het literatuuronderzoek contact gezocht met dhr. L. de Witte. Dhr. L. de Witte is onderzoeker bij het IFV en een van de auteurs van de betrokken documentatie omtrent het onderzoek. Dhr. L. de Witte kon aanvullende informatie verschaffen over de simulatieprogramma s, zoals: pluspunten en minpunten, gebruiksvriendelijkheid en aandachtspunten bij in- en uitvoer. Gedurende het deskresearch is onderzoek gedaan naar de volgende onderwerpen: Wat het brandgedrag is door een tekort aan zuurstof en vanaf welk percentage zuurstof dit kan optreden. Dit wordt ook wel lagere zuurstoflimiet (LOL) genoemd. Het is belangrijk om te weten hoe simulatieprogramma s hiermee omgaan. Wat de thermische eigenschappen van de brandruimte zijn. Het is belangrijk om te weten van welk materiaal de muren en het plafond zijn, rekening houdend met mogelijke brandbaarheid. Het vergelijken van de simulatieprogramma s. Hierdoor kan uitgevonden worden welke het best toepasbaar is voor het onderzoek. De brandeigenschappen die gebruikt zijn bij de experimenten in Zutphen. Het is essentieel om dezelfde brandeigenschappen te gebruiken om een representatieve uitkomst te krijgen. Door bovenstaande onderwerpen te beantwoorden, wordt de simulatie zo accuraat mogelijk uitgevoerd om het doel van dit onderzoek te kunnen behalen.

19 3.2. Opbouw experimenten Ruimtebepaling experiment Zoals te zien is in bijlage afmetingen experimenthuis Zutphen, zijn de ruimten niet allemaal rechthoekig. Dit is nadelig aangezien er bij de invoer bij simulatieprogramma s alleen rechthoekige compartimenten ingevoerd kunnen worden. Daarom is het van belang welke ruimte gekozen wordt voor de experimenten en wat daarvan de oppervlakte is. In dit geval is gekozen om slaapkamer 2.3 toe te passen in de experimenten, aangezien deze ruimte overeenkomt met de ruimte die destijds door het IFV is gebruikt. Hierin is te zien dat deze ruimte een totale oppervlakte heeft van 9.7m² (zie figuur ). Figuur, Afmeting slaapkamer Zoals hierboven vermeld staat, is het niet mogelijk om precies deze afmetingen in te voeren bij het gebruik van simulatieprogramma s. Daarom moet een rechthoekige ruimte gecreëerd worden met dezelfde oppervlakte. Er is gekozen om voor de lengte van de ruimte 2.83 meter toe te passen, aangezien dit ook de lengte van de brandruimte van het IFV was. Om een oppervlakte van 9.7m² te krijgen moet daarom de breedte 3. meter zijn (zie bijlage 3). De exacte hoogte van slaapkamer 2.3 is niet bekend, waardoor er een hoogte van 2.4 meter is ingevoerd aangezien dit de gemiddelde hoogte is van het plafond in Nederlandse slaapkamers (Neele & Kilian-Polhuijs, 9). Het is mogelijk om materialen te kiezen voor de muren, het plafond en de vloer. Hier kunnen materiaaleigenschappen bij ingevoerd worden. De materiaaleigenschappen die van belang zijn, zijn: dichtheid, warmtegeleiding, dikte, soortelijke warmte en emissie. Het materiaal multiplex is gekozen voor de vloer, voor de muren is gekozen voor baksteen en voor het plafond zijn gipsplaten gebruikt. De materiaaleigenschappen hiervan kunnen gevonden worden in tabel B in bijlage 4. Slaapkamer 2.3 bevatte aan de voorzijde van de ruimte drie ramen. De afmetingen van deze ramen zijn niet bekend. Ook stonden twee van de drie ramen ten tijde van de praktijkexperimenten op een kier. De grootte van deze openingen zijn niet opgemeten en zijn dus ook onbekend. In overleg met dhr. L. de Witte is besloten om de ramen een afmeting te geven met een hoogte van de dorpel van meter vanaf de vloer, de hoogte van de koof van.8 meter vanaf de vloer en de wijdte van.6 meter. De standaard brandruimte komt er dus uit te zien zoals weergegeven is in figuur 2. Figuur 2, Standaard brandruimte

20 Omdat de openingen tijdens het praktijkexperiment van het IFV niet volledig openstonden, worden de groottes van deze openingen gevarieerd per simulatie. De standaard brandruimte wordt toegepast als -meting Brandeigenschappen De brandeigenschappen zijn erg bepalend voor het brandverloop. Deze gegevens kunnen ook ingevoerd worden bij het gebruik van simulatieprogramma s. Er kan opgegeven worden om welk brandstof het gaat door het aantal moleculen in te voeren voor koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof en chloor. In dit geval ging het om een cellulosebrand en daar is de invoer op aangepast. Ook kan de verbrandingswarmte opgegeven worden. Dit is de energie (warmte) die bij de verbranding van deze stof vrijkomt met een eenheid van kj/kg. Hiernaast kan de hoeveelheid roetvorming en koolstofmonoxide opgegeven worden als gevolg van verbranding van deze brandstof. Bij het praktijkexperiment van het IFV was de brandhaard een matras op een tweepersoonsbed. De ingevoerde brandeigenschappen komen overeen met dit type brandstof en deze kunnen gevonden worden in tabel B2 in bijlage 4. De locatie van de brandhaard in de ruimte kan tevens ingevoerd worden. Hierbij moet een X-positie, Y-positie en een Z-positie opgegeven worden. In figuur 3 is de locatie van het bed te zien in de brandruimte. Op basis hiervan is de positie van de brandhaard bepaald. Voor de X-positie is. meter ingevoerd, voor de Y-positie is. meter ingevoerd en voor de Z-positie is.5 meter ingevoerd aangezien de hoogte van het bed ongeveer een halve meter hoog is. Figuur 3, Indeling slaapkamer 2.3 Tot slot kan het brandvermogen per tijdsinterval ingevoerd worden zodat er een soort curve ontstaat. Brandvermogen wordt in CFast ook wel Heat Release Rate (HRR) genoemd. Het brandvermogen heeft de eenheid kilowatt (kw) en wordt bepaald door het type brandstof. Bij dit experiment is een matras de brandstof. Omdat het brandvermogen van een matras niet bekend is, is dit bepaald door middel van Reverse Engineering. Dit is een betrouwbare techniek waarbij op basis van gastemperatuur in een brandruimte teruggerekend wordt, zodat daaruit afgeleid kan worden welke brandvermogen dit product bevat (Vossestein & van Herpen, 26). Er zijn in de praktijk metingen verricht van verbranding van een matras in de buitenlucht waarbij de temperatuur bepaald is, waardoor dit als referentiemateriaal kan worden gebruikt voor Reverse Engineering. Figuur 4 is een globale weergave van de werking van Reverse Engineering (de Witte, Hazebroek, & Weewer, 25). 2

21 HRR (kw) Figuur 2, schema reverse engineering Figuur 4, Schema reverse modelling De werking van deze procedure wordt samengevat in de volgende stappen: Er wordt een voorspelling gedaan van de temperatuur T exp(t) en er wordt een waarde bepaald voor S. S is het symbool voor tolerantie en dit is een soort interval waarbinnen het uiteindelijke resultaat van de berekening moet vallen. De ingevoerde waarde voor T exp(t) wordt in de voorspellende stap meegenomen in bepaalde berekeningen waarbij verschillende waarden uitkomen. De uitkomsten van de berekeningen worden gebruikt als input voor CFast. Hierdoor ontstaan resultaten die worden gebruikt in de uiteindelijke vergelijking. Indien het verschil van T exp en T calc binnen de tolerantiewaarde valt, kan dit worden gebruikt voor het uiteindelijke experiment. Indien de berekening niet binnen de tolerantiewaarde valt wordt het proces herhaald tot het moment dat de juiste uitkomsten berekend zijn. Deze berekeningen zijn uitgevoerd door dhr. L. de Witte. Uit de resultaten hiervan kwam een betrouwbaar brandvermogenscurve dat gebruikt kan worden bij de invoer van de brandeigenschappen. Deze curve is weergegeven in figuur 5. De Exacte waarden zijn weergegeven in tabel B3 in bijlage HRR curve brandstofgecontroleerd Tijd (s) x Figuur 5, HRR curve brandstofgecontroleerd 3

22 HRR (kw) Input experimenten Voor de input van de experimenten die worden uitgevoerd in het simulatieprogramma, zijn bovenstaande gegevens uit hoofdstuk en niet variabel. Ook de input voor de simulatieeigenschappen blijven bij elk experiment gelijk. De simulatietijd is 36 seconden waarbij een tekst output interval van seconden wordt gegeven. Dit houdt in dat er om de seconden meetgegevens zichtbaar worden gemaakt. Voor de simulatiecondities kunnen gegevens ingevoerd worden zoals binnentemperatuur, buitentemperatuur, luchtdruk, luchtvochtigheid en het lagere zuurstoflimiet. Voor zowel binnen- als buitentemperatuur is gekozen voor 5,5 C, een luchtdruk van 325 Pa en een luchtvochtigheid van 79%. Deze invoer is bepaald aan de hand van de weersomstandigheden gedurende de dag van het praktijkexperiment (Hazebroek, Greven, Groenewegen-Ter Morssche, & van den Dikkenberg, 25). Het lagere zuurstoflimiet is wél een variabele die per experiment verschilt aangezien dit bepalend kan zijn voor de meetresultaten. Er is gekozen om deze input te variëren van maximaal 5% tot minimaal %. Experiment heeft een andere HRR-curve ten opzichte van de overige experimenten. Bij dit experiment is ervoor gekozen om een ventilatiegecontroleerde HRR-curve in te voeren, om de invloed van de HRR-input te onderzoeken. Deze HRR-curve is verkregen door de meetgegevens van de praktijkexperimenten van het IFV en is weergegeven in figuur 6. De exacte waarden zijn te vinden in tabel B4 in bijlage HRR-curve ventilatiegecontroleerd Tijd (s) x Figuur 6, HRR curve ventilatiegecontroleerd In totaal zijn er 2 experimenten uitgevoerd. Elk experiment heeft verschillende variabelen voor de lagere zuurstoflimiet en ventilatie. De reden waarom gekozen is voor verschillende groottes van de opening, is omdat deze variabele een groot aandeel heeft in de mate van ventilatie in de brandruimte. Tabel is een weergave van de variabelen voor de invoer van de experimenten. 4

23 Experiment LOL Wall vents Tabel, Experimentvariabelen % Vent Vent 2 Vent 3 Sill (m) Soffit (m) Width (m) Offset (m) Sill (m) In Tabel is te zien dat er waarden zijn ingevoerd voor drie ramen. In tegenstelling tot experiment 4 is Vent bij alle experimenten gesloten. Dit is een bewuste keuze aangezien er bij het praktijkexperiment drie ramen waren in de brandruimte, waarvan er twee op een kier geopend waren (één raam dus volledig gesloten). Experiment 2 is de zogenoemde nulmeting. Hierbij is de standaard brandruimte gebruikt die te zien is in hoofdstuk Bij experimenten 3 en 4 zijn simulaties verricht waarbij de totale opening.48m² is, bij experimenten 5 en 6 is de totale oppervlakte van de opening.48m², experimenten 7 en 8 hebben een opening van.6m², experimenten 9 en hebben een totale opening van.8m² en experimenten en 2 hebben geen opening. In bijlage 5 worden de berekeningen van deze oppervlakten weergegeven. Omdat de experimenten op deze manier worden uitgevoerd, kunnen uiteindelijk goede conclusies getrokken worden over de invloed van de grootte van de openingen en het lagere zuurstoflimiet Verwerking van resultaten Voor de verwerking van de resultaten wordt gebruik gemaakt van het programma Excel (V 26), omdat de uitkomsten van simulatieprogramma s vaak in een Excel-werkmap gegeven worden. In Excel kunnen de resultaten eenvoudig omgezet worden in de gewenste eenheden waardoor vervolgens grafieken gecreëerd kunnen worden. Deze grafieken worden uiteindelijk met elkaar vergeleken en daar worden conclusies uit getrokken Materialen Er is tijdens dit onderzoek niet veel gebruik gemaakt van materialen. De materialen die benodigd zijn, zijn vooral simulatieprogramma s. De vereiste programma s zijn: CFast (versie 7.2..) Ozone (versie 2.2.7) FDS (versie 6.5.3) B-RISK (versie 26.2) Soffit (m) Width (m) Offset (m) Sill (m) Soffit (m) Width (m) Offset (m) 5

24 4. Resultaten In dit hoofdstuk worden de resultaten van het onderzoek weergegeven. Eerst worden de eerste twee deelvragen behandeld. Dit wordt gevolgd door de resultaten voor de beantwoording van de onderzoeksvraag. 4.. Bouwkundig- en brandstof gerelateerde randcondities Er bestaan verschillende factoren die een brandverloop in een ruimte kunnen bepalen. Wanneer er bij sommige van deze factoren een minimale afwijking is, kan er al een heel ander brandverloop optreden. Hier wordt vermeld welke bouwkundige- en brandstof gerelateerde randcondities invloed hebben op het brandverloop in de ruimte van de experimenten in Zutphen. De belangrijkste randcondities zijn de vuurlast in de ruimte, het warmtetransport (straling, convectie en geleiding), de afmeting en indeling van de brandruimte, concentratie van de aanwezige zuurstof, grootte en hoogte van openingen (ventilatie), weersomstandigheden (windsnelheid, windrichting, luchtvochtigheid en temperatuur) en de druk in de ruimte. Diverse randcondities (concentratie zuurstof, ventilatie, weersomstandigheden, warmtetransport en drukopbouw) zijn reeds benoemd in het theoretisch kader, daarom worden hieronder de factoren toegelicht die voorheen nog niet gevonden konden worden Vuurlast Vuurlast is de totale verbrandingswaarde van een ruimte en van de aanwezige materialen die in deze ruimte staan, bij een volledige verbranding. De vuurlast is dus volledig afhankelijk van de hoeveelheid en type materialen dat in een ruimte staat. Verbrandingswaarde staat voor de maximale hoeveelheid warmte dat vrij kan komen per kg vaste stof of m³ vloeistof. De totale vuurlast in een ruimte kan bepaald worden door de som van de totale verbrandingswaarden van de materialen te berekenen. De vuurlast per vierkante meter wordt vuurbelasting genoemd. Dit kan berekend worden door de totale vuurlast te delen door de oppervlakte van het grondvlak van de desbetreffende ruimte (Gebhardt, I., 24) Afmetingen en inrichting ruimte De afmetingen van de brandruimte is erg bepalend voor het brandverloop. Warmtetransport is erg afhankelijk van de grootte van de ruimte. Bij een grote ruimte kan de afstand van de straling naar andere objecten groter zijn indien objecten verder van elkaar verwijderd zijn (inrichting). Tevens kan de tijdsduur van eventuele warmtegeleiding en warmteconvectie langer duren ten opzichte van een kleine ruimte. Dit heeft invloed op de snelheid van de branduitbreiding. Tevens is de hoeveelheid aanwezige zuurstof groter in een ruimte die grote afmetingen heeft. Hierdoor blijft de brand een langere periode brandstofgecontroleerd en kan het dus (afhankelijk van de hoeveelheid brandstof) ongehinderd verder ontwikkelen. De inrichting van een ruimte bepaald de hoeveelheid en het type brandstof dat aanwezig is en hoe dit gesitueerd is. De totale vuurlast in de ruimte wordt bepaald door de inrichting. Tevens is ook het warmtetransport afhankelijk van de inrichting. De afmetingen en de inrichting van de ruimte die toegepast zijn in dit onderzoek kunnen gevonden worden in bijlage en bijlage Conclusie deelvraag Er zijn veel verschillende factoren die invloed uitoefenen op het brandverloop. De factoren zijn de vuurlast in de ruimte, het warmtetransport (straling, convectie en geleiding), de afmeting en indeling van de brandruimte, concentratie van de aanwezige zuurstof, grootte en hoogte van openingen 6

25 (ventilatie), weersomstandigheden (windsnelheid, windrichting, luchtvochtigheid en temperatuur) en de druk in de ruimte Keuzebepaling simulatieprogramma CFast CFast is een simulatieprogramma dat staat voor consolidated model of fire and smoke transport. Dit programma kan worden gebruikt om het brandverloop te simuleren in gebouwen. Hierbij kunnen meerdere compartimenten worden gecreëerd. CFast gebuikt een twee-zone model om het rook-, vuur- en temperatuursverloop te berekenen in deze compartimenten met een bepaald tijdsinterval (NIST, 26). Bij het programma CFast kunnen er meerdere compartimenten ingevoerd worden. Hierdoor kan een compleet gebouw nagebootst worden. De compartimenten kunnen minimaal m³ tot maximaal m³ groot zijn. Hierbij kunnen verschillende waardes worden ingevoerd waarmee CFast gaat rekenen. Deze waardes zijn weergegeven in tabel 2. Het is noodzakelijk om de juiste waardes in te voeren in een databestand. Dit databestand wordt gecreëerd door een stappenplan te doorlopen die beschreven staat in de handleiding. Wanneer alle gegevens correct zijn ingevoerd kan de simulatie starten waardoor vervolgens differentiaalvergelijkingen berekend worden voor bijvoorbeeld druk, temperatuur en de hoogte van de neutrale zone als functie van de tijd (Peacock, Reneke, & Forney, NIST Technical Note 889v2, CFAST - Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 7) Volume 2: User's Guide, 26). Input Simulatie Thermische eigenschappen Compartiment Muurventilatie Plafond- & Vloerventilatie Mechanische ventilatie Brand(en) Targets Detectie/onderdrukking Oppervlakte connecties Output Tabel 2, Inputmogelijkheden CFast Deel Simulatietijden Simulatiecondities Geometrie Materialen Afmetingen opening Locatie opening Afmetingen opening Locatie opening Brandeigenschappen Visualisatie Resolutie Bij simulatie kunnen simulatietijden ingevoerd worden. Hierbij kan het tijdsbestek van de simulatie bepaald worden en per welk tijdsinterval een meting plaatsvindt. Ook kunnen hierbij simulatiecondities worden ingevuld. Dit zijn gegevens over de luchtvochtigheid, buiten- en binnentemperatuur en luchtdruk. Vervolgens kunnen de thermische eigenschappen van muren, het plafond en vloer ingevoerd worden (per compartiment). Bij het kopje compartiment kunnen de afmetingen en locatie van de compartimenten worden bepaald. Hierdoor kan een gebouw ontstaan met meerdere compartimenten. Daaropvolgend kan de ventilatie door muren worden ingevoerd. Hierbij moet gedacht worden aan bijvoorbeeld ramen. 7

26 Sinds CFast versie 7.2. is het mogelijk om veranderingen in de openingen door te voeren als functie van de tijd. Dit betekent dat op een bepaald tijdstip de openingsfactor kan veranderen. Verder kan plafond- en vloerventilatie toegepast worden. Aansluitend kunnen de brandeigenschappen worden verwerkt. Hierbij wordt de hoogte en locatie van de bron aangegeven. Tevens kunnen hierbij de hoeveelheid moleculen (koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof en chloor) worden aangegeven. In dit onderzoek worden de laatste vier inputsmogelijkheden niet toegepast. Het programma CFast wordt veel toegepast bij Nieman Raadgevende Ingenieurs, omdat dit een grote gebruiksvriendelijkheid heeft. Al deze mogelijkheden zorgen ervoor dat CFast een zeer geschikt simulatieprogramma is waarmee gewerkt kan worden om antwoord te krijgen op de probleemstelling Ozone Ozone is een programma dat ook gebruik maakt van een zone model. Het wordt voornamelijk gebruikt om de gastemperatuurontwikkeling in een ruimte te berekenen volgens de standaard brandkromme wat beschreven staat in EN --2. Tevens kunnen in dit programma branden worden toegepast die door de gebruiker zelfstandig zijn ingevoerd. Naast de bepaling van de gastemperatuur is het ook mogelijk om de thermische reacties van staalstructuren te bepalen. Hierdoor kan getest worden op welk moment deze staalstructuur gaat falen. Hiernaast berekend Ozone de pyrolysesnelheid, brandvermogen, hoogte van de rooklaag, zuurstofmassa, vloerdruk en warmtestroom (Cadorin, Pintea, & Franssen, 2). Ozone kan alleen berekeningen uitvoeren van één ruimte. Het is dus niet mogelijk om meerdere compartimenten tegelijkertijd te berekenen. Ook is er de mogelijkheid om de openingen slechts één keer te veranderen op een bepaalde temperatuur. De mogelijkheden van de input zijn ongeveer gelijk aan die van CFast. De output die verkregen wordt na afloop van de berekening is minder uitgebreid dan de output uit CFast (Tenbült, 27) FDS FDS staat voor Fire Dynamics Simulator en dit is in tegenstelling van andere simulatieprogramma s een veldmodel. Met dit model worden alleen grote stroming van lucht en brand berekend. FDS lost berekeningen op aan de hand van Navier-Stokes vergelijkingen en kan gebruikt worden voor thermisch aangedreven stromingen (NIST, 26). Navier-Stokes vergelijkingen zijn differentiaalvergelijkingen die de snelheid, druk, temperatuur en dichtheid van fluïda kunnen beschrijven (Hall, 25). Dit is nadelig omdat er geen grote luchtstromingen plaatsgevonden hebben bij de experimenten in Zutphen. Tevens is een veldmodel niet geschikt om een gevoeligheidsanalyse uit te voeren op verschillende grootheden. Een ander groot nadeel van FDS is de benodigde rekentijd, aangezien slechts één berekening meerdere uren (tot dagen) kan duren. Hierdoor wordt het programma FDS als ongeschikt beschouwd voor dit onderzoek B-RISK B-RISK is ontstaan na een samenwerking met BRANZ en de universiteit van Canterbury. Dit is een relatief nieuw programma om woningbranden te simuleren en moet het al bestaande BRANZFIRE gaan vervangen. De resultaten van B-RISK worden gepresenteerd in een probabilistische vorm, zodat de onzekerheden en variabiliteit ten opzichte van de verwachtingen worden weergegeven. B-RISK kan een aantal functies toevoegen bij de invoer van het programma die verschillend zijn bij CFast, zoals: 8

27 Een locatie naar locatie branduitbreidingsmodule waardoor de inhoud van een ruimte willekeurig kan worden geplaatst. Hiervan wordt dan het totale brandvermogen bepaald. Een uitgebreide sprinklerinstallatie waarvan de betrouwbaarheid van deze installatie wordt meegenomen. Betrouwbaarheid van systemen zoals rookmelders, mechanische ventilatie en passieve elementen (zoals deuren). Visualisatie van geometrie en de verkregen resultaten. Hiervoor is echter wel de software van Smokeview nodig. Smokeview is een ander simulatieprogramma wat rookverspreiding in een gebouw kan bepalen (Branz, 26). Deze extra functies zijn niet nodig voor het onderzoek, omdat er destijds geen sprinklerinstallatie of detectiemelders aanwezig waren. De mogelijkheid van visualisatie van de resultaten door Smokeview is ook toepasbaar in CFast. Bij B-RISK kan er gebruik gemaakt worden van een Monte-Carlosimulatie. Dit is een simulatietechniek waarbij een proces vele malen wordt gesimuleerd met steeds andere startcondities. Het resultaat bestaat daardoor uit een verzameling van simulaties. Hierin wordt per simulatie de kans van optreden van dat scenario weergegeven (Wade, Baker, Frank, Harrison, & Spearpoint, 26). Bij B-RISK kan de gebruiker er voor kiezen om een simulatie uit te voeren voor een specifiek gebouw met vaste ingangswaarden. Hiernaast kan er dus gekozen worden om een simulatie te starten waarbij meerdere metingen uit worden gevoerd waarbij de ingangsparameters willekeurig variëren. Deze variaties worden uitgevoerd op basis van een statische verdeling (Wade, Baker, Frank, Harrison, & Spearpoint, 26). B-RISK wordt niet toegepast bij Nieman Raadgevende Ingenieurs, waardoor dit een relatief onbekend programma is. Hierdoor is dit programma lastig te gebruiken. Wanneer B-RISK wordt vergeleken met CFast, heeft B-RISK een lagere gebruiksvriendelijkheid Conclusie deelvraag 2 FDS is een veldmodel, de overige programma s zijn zonemodellen. Alleen zonemodellen zijn geschikt voor gevoeligheidsanalysen op een beperkt aantal grootheden. Tevens heeft FDS een erg lange rekentijd en ontstaan veel onzekerheden bij het gebruik van dit programma, wat ook een groot nadeel vormt. Ozone, CFast en B-RISK zijn qua invoermogelijkheden erg vergelijkbaar. Van deze programma s zijn CFast en B-RISK het meest geschikt, omdat de output van deze programma s uitgebreider zijn. Tevens hebben CFast en B-RISK een breder toepassingsgebied doordat deze programma s gebruik maken van een twee-zone model. Bij zowel CFast als B-RISK is het mogelijk om meerdere compartimenten toe te voegen tijdens een berekening. Ook is het mogelijk om ventilatie via muren, vloeren en plafonds toe te voegen. Tevens is de invoering van brandeigenschappen in overeenkomst met elkaar. Het grote verschil is dat er bij B- RISK gebruik gemaakt kan worden van een Monte-Carlosimulatie. C-FAST gebruikt daarentegen een 2- zonemodel om het brandverloop te bepalen. B-RISK heeft meerdere invoermogelijkheden, maar deze zijn niet benodigd voor het onderzoek. Daarentegen is het programma C-FAST gebruiksvriendelijker en er is meer kennis omtrent dit programma. Daarom wordt gekozen om C-FAST te hanteren voor de experimenten van dit onderzoek. 9

28 4.3. Resultaten experimenten De resultaten uit CFast worden verkregen in de vorm van Excel bestanden. Wanneer deze gegevens op de juiste manier worden verwerkt, kunnen de gewenste gegevens toegepast worden. Hiervan worden grafieken opgesteld ter visualisatie van de resultaten. Per experiment worden de volgende meetgegevens gebruikt: temperatuur, zuurstofpercentage (onderste laag, bovenste laag en totaal), brandvermogen (HRR), C LOL, druk en de concentratie van koolstofmonoxide in de bovenste laag. De gegevens over koolstofmonoxide worden gebruikt omdat dit de hoeveelheid brandbare stof in de bovenste laag weergeeft. Door gebruik te maken van deze gegevens worden de belangrijkste resultaten meegenomen in het onderzoek. De bepaling van het zuurstofpercentage kan worden gedaan aan de hand van de gegevens van de resultaten in het Excel-bestand. Hierin wordt weergegeven hoeveel kg zuurstof aanwezig is per laag. Ook wordt het volume van de bovenste laag per tijdseenheid gegeven als resultaat. Omdat de totale volume van de brandruimte m³ is (zie bijlage 3), kan hierdoor het volume van de onderste laag per tijdseenheid berekend worden. Wanneer de volumes van beide lagen bekend zijn, kan de totale massa per laag per tijdseenheid berekend worden. Dit kan gedaan worden door gebruik te maken van formule 8 (Tromp & van Mierlo, 23): ρ = 353 T K (8) De temperatuur moet in Kelvin ingevoerd worden en ρ is hierin de dichtheid in kg/m³. Wanneer de dichtheid wordt vermenigvuldigd met de totale inhoud van de desbetreffende laag, kan de totale massa in die laag bepaald worden. Wanneer dit bekend is, kan het zuurstofpercentage in die laag worden berekend. Indien dit gedaan is voor beide lagen, kan het totale zuurstofpercentage in de gehele ruimte worden berekend. Door de temperatuurcurve en de zuurstofcurve met elkaar te vergelijken kunnen verbanden gezien worden tussen de hoeveelheid zuurstof en de hoogte van de temperatuur. De HRR-curve wordt vergeleken met de HRR-input. Hieruit kan afgeleid worden of de totale brandstof óf slechts een deel hiervan heeft deelgenomen aan de brand. De C LOL is een waarde tussen de en de. Wanneer er sprake is van een ventilatiegecontroleerde brand zal de waarde zijn en bij een volledig brandstofgecontroleerde brand zal de waarde zijn. De waarde van C LOL kan in Excel berekend worden door gebruik te maken van formule 9 (Peacock, McGrattan, Forney, & Reneke, 26). CLOL = tanh(8(y O 2 Y O2, ) 4)+ 2 (9) Hierin is Y O2 Y O2, het verschil van de uiteindelijke totale hoeveelheid zuurstof in de ruimte (Y O2), met de opgegeven lagere zuurstoflimiet (Y O2, ). 2

29 Percetnage Temperatuur (Celsius) Resultaten experiment Experiment betreft een test waarbij de ingevoerde HRR ventilatiegecontroleerd is en er is bij de invoer een lagere zuurstoflimiet van 5% aangegeven. De invoer van de ventilatiegecontroleerde HRR is te zien aan het verband tussen de temperatuur en het totale zuurstofpercentage in de ruimte (zie figuur 7 en figuur 8). Bij de temperatuur in de bovenste laag is te zien dat de temperatuur bij het eerste piekmoment snel daalt, terwijl het zuurstofpercentage op dat moment nog ruim boven de 2% is. Deze daling wordt dus niet verklaard door de hoeveelheid zuurstof op dit moment. Tevens is er in de temperatuurcurve een schommeling te zien van hoog naar laag. Dit duidt op een ventilatiegecontroleerd brandverloop. Door de resultaten van experiment te bestuderen blijkt dat het invoeren van de juiste HRR erg belangrijk is om de juiste resultaten te krijgen. Voor alle meetresultaten wordt doorverwezen naar bijlage 6. Hier worden de curves gevonden voor de zuurstofpercentages per laag, de HRR, de druk, de C LOL-waarde en de hoeveelheid koolstofmonoxide in de bovenste laag. De C LOL-curve geeft een constante waarde van aan. Dit komt omdat de zuurstof niet onder het limiet van 5% komt, en dus theoretisch gezien niet ventilatiegecontroleerd kan raken Temperatuur 5 5 LLT_ Lower Layer Temperature Comp C ULT_ Upper Layer Temperature Comp C Figuur 7, Temperatuurcurve experiment O 2 percentage totaal tijd(s) x Figuur 8, zuurstofpercentage curve experiment 2

30 Watt Temperatuur (Celsius) Resultaten experiment 2 Na de uitvoering van dit experiment zijn resultaten verkregen die fungeren als nulmeting, omdat bij dit experiment de standaardbrandruimte is toegepast. In figuur 9 is de temperatuurontwikkeling in de brandruimte te zien. In deze situatie ontstaat een toptemperatuur van boven de 5 C. In deze situatie wordt alle aanwezige brandstof in de onderste laag verbruikt, aangezien de uitkomst van de HRR exact dezelfde waarde heeft dan de ingevoerde HRR. In figuur 2 is te zien dat de HRR in de onderste laag precies overeenkomt met de ingevoerde waarden voor de HRR. Daarom is slechts een grijze lijn zichtbaar Temperatuur 3 2 ULT_ Upper Layer Temperature Comp C LLT_ Lower Layer Temperature Comp C Figuur 9, temperatuurcurve experiment Heat Release Rate HRR Invoer HRR Output HRR Lower HRR Upper Figuur 2, HRR-curve experiment Ventilatiegecontroleerde branden Nu bovenstaande gegevens bekend zijn, is het doel om de mate van ventilatie dusdanig te variëren dat er een ventilatiegecontroleerde brand ontstaat. Een ventilatiegecontroleerde brand is te herkennen aan de waarde van C LOL. Bij de experimenten 3 t/m treedt een ondergeventileerde brand op. 22

31 Waarde Watt Tempeartuur (Celsius) Figuur 2 is de temperatuurcurve van experiment 3. Hierin is een piek van de temperatuur te zien van ongeveer 3 C, wat een veel lagere toptemperatuur is dan bij de nulmeting. Bij deze temperatuur zal in de praktijk een flashover kunnen plaatsvinden. Echter is te zien dat er na het piekmoment een forse daling van de temperatuur plaatsvindt. Temperatuur ULT_ Upper Layer Temperature Comp C LLT_ Lower Layer Temperature Comp C Figuur 2, temperatuurcurve experiment 3 Wanneer er gekeken wordt naar de C LOL-curve (figuur 22) blijkt dat er op dit tijdstip een ventilatiegecontroleerde brand optreedt. Op dit moment is de aanwezige zuurstofpercentage in de totale brandruimte minder dan 5%. Dit is de verklaring waarom er een daling van de temperatuur plaatsvindt in plaats van een flashover. Ook wordt in de HRR-curve (figuur 23) weergegeven dat niet alle brandstof verbruikt wordt bij de verbranding. Hieruit blijkt dat in de eerste fase van de verbranding de output van de HRR evenredig loopt met de ingevoerde waarden van de HRR. Echter is na 25 seconden een daling te zien van de HRR. Dit tijdstip komt overeen met het moment waarop de brand ventilatiegecontroleerd raakt. Wanneer er vervolgens meer zuurstof aanwezig is dan 5% blijkt uit de C LOL-curve dat de brand niet meer ventilatiegecontroleerd is en dus een waarde van aangeeft. C LOL Heat Release Rate HRR invoer HRR output HRR Lower HRR Upper Figuur 22, CLOL-curve experiment 3 Figuur 23, HRR-curve experiment 3 Wanneer de uitkomsten van experiment 3 worden vergeleken met experiment 4 is er iets opvallends te zien. Zoals verwacht wordt, vindt er bij experiment 4 een ventilatiegecontroleerde brand plaats wanneer de aanwezige zuurstof in de brandruimte minder is dan %. Echter blijft bij dit experiment de waarde van C LOL onder de gedurende het gehele brandverloop (zie figuur 24). Dit duidt op een 23

32 Percentage Percentage Waarde bijna-volledig ventilatiegecontroleerd brandverloop. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de invoer van de openingen en het lagere zuurstoflimiet beide bepalend kunnen zijn voor het optreden van een ventilatiegecontroleerde brand C LOL Figuur 24, CLOL-curve experiment 4 De resultaten van de experimenten 5 t/m zijn vergelijkbaar ten opzichte van experiment 3, echter vinden dezelfde gebeurtenissen bij elk experiment bij een andere temperatuur plaats. Wat opvalt bij de resultaten omtrent de aanwezige zuurstof in de brandruimte, is dat CFast gebruik maakt van de totale hoeveelheid zuurstof. Verwacht werd dat wanneer er HRR plaatsvond in de onderste laag ook de aanwezige zuurstof in de onderste laag de belangrijkste factor zal zijn die de mate van zuurstofverbruik bepaald. Andersom: wanneer er HRR plaatsvindt in de bovenste laag zal de hoeveelheid zuurstof in de bovenste laag bepalend moeten zijn voor het zuurstofverbruik. CFast maakt echter enkel gebruik van de totaal aanwezige zuurstof in de ruimte. Dit houdt in dat een brand pas ventilatiegecontroleerd kan raken wanneer het zuurstofpercentage in de gehele ruimte onder de grens van de opgegeven lagere zuurstoflimiet komt (% of 5%). zuurstofpercentage upper layer Zuurstofpercentage lower layer Figuur 25, zuurstofpercentagecurve bovenste laag experiment 3 Figuur 26, zuurstofpercentagecurve onderste laag experiment 3 24

33 5. Conclusie De eerste deelvraag luidt: Welke aanwezige bouwkundige en brandstof gerelateerde randcondities hebben invloed op het brandverloop in een verblijfsruimte die niet volledig afgesloten is van verse lucht?. Verschillende randcondities hebben invloed op het brandverloop. De belangrijkste hiervan zijn: de vuurlast in de ruimte, het warmtetransport (straling, convectie en geleiding), de afmeting en indeling van de brandruimte, concentratie van de aanwezige zuurstof, grootte en hoogte van openingen (ventilatie), weersomstandigheden (windsnelheid, windrichting, luchtvochtigheid en temperatuur) en de drukopbouw in de ruimte. De tweede deelvraag luidt: Welk simulatieprogramma is het best toepasbaar om onderzoek te doen naar ondergeventileerde branden?. Van de vier onderzochte programma s (FDS, Ozone, CFast en B- RISK) wordt geconcludeerd dat FDS niet toegepast wordt voor dit onderzoek, omdat dit programma gebruik maakt van een veldmodel en grote luchtstromingen berekend. Deze berekeningen hebben een erg lange tijdsduur. De resultaten uit Ozone zijn minder uitgebreid dan B-RISK en CFast. Daarbij hebben CFast en B-RISK een breder toepassingsgebied doordat deze programma s gebruik maken van een twee-zone model. Hierdoor valt Ozone af. CFast en B-RISK zijn erg vergelijkbaar met elkaar, alleen kan B-RISK gebruik maken van statische data. Deze extra functionaliteit is niet nodig voor dit onderzoek. Daarom is besloten om CFast toe te passen voor dit onderzoek. De opgestelde hoofdvraag is: Hoe kan tijdens de ontwikkelfase een ventilatiegecontroleerde brand ontstaan in een ruimte die niet volledig is afgesloten van buitenlucht?. Dit onderzoek heeft zich vooral gericht op de mate van ventilatie in de brandruimte. Hierbij zijn de grootten van de openingen per experiment gevarieerd. Wanneer de openingen kleiner zijn ten opzichte van de standaardbrandruimte, blijkt dat er een tekort aan zuurstof optreedt. Hierdoor vindt er een ventilatiegecontroleerde brand plaats. Daarnaast is de waarde voor het lagere zuurstoflimiet belangrijk. Theoretisch gezien raakt een brand ventilatiegecontroleerd wanneer er minder dan 5% zuurstof aanwezig is in de brandruimte. Echter klopt dit in de praktijk niet altijd, vandaar dat ook deze waarde gevarieerd is bij de experimenten. De verschillen in deze waarden zijn terug te zien in de resultaten. Een handige grafiek voor de bepaling of een brand een ventilatiegecontroleerd brandverloop heeft, is de C LOL-curve. C LOL is een waarde tussen de en de. Wanneer de waarde is, is de brand volledig brandstofgecontroleerd en wanneer de waarde is, vindt er op dat moment een ventilatiegecontroleerde brand plaats. Door hiervan gebruik te maken kan goed gevisualiseerd worden op welk moment een brand ventilatiegecontroleerd raakt. Een opvallende gebeurtenis is te vinden in de verwerking van CFast in de zuurstofhoeveelheden in de brandruimte. Verwacht wordt dat wanneer er HRR plaatsvindt in de onderste laag, dat ook de hoeveelheid zuurstof in deze laag bepalend is voor de mate van verbranding. Andersom wordt ook verwacht dat de zuurstofhoeveelheid in de bovenste laag gebruikt wordt wanneer er HRR plaatsvindt in de bovenste laag. Dit gebeurt echter niet. CFast neemt de totale hoeveelheid zuurstof mee dat aanwezig is in de brandruimte. Pas wanneer er in de gehele ruimte minder zuurstof aanwezig is dan de opgegeven lagere zuurstoflimiet treedt een ventilatiegecontroleerde brand op. De doelstelling van dit onderzoek is het verkrijgen van meer informatie omtrent het optreden van een ventilatie gecontroleerd brandverloop tijdens de ontwikkelfase van een brand. Deze doelstelling is behaald, doordat er inzichten verkregen zijn over hoe CFast omgaat met de mate van ventilatie bij een brandverloop, die nog niet bekend waren binnen Nieman Raadgevende Ingenieurs. 25

34 6. Discussie De discussie van het onderzoek richt zich op de betrouwbaarheid van de uiteindelijke resultaten. Er zijn enkele afbakeningen gemaakt voor dit onderzoek. De brandruimte waar dit onderzoek op gebaseerd is komt overeen met de ruimte die toegepast is bij de praktijkexperimenten van het IFV. Ondanks dat er relatief veel informatie bekend was over deze ruimte, waren er ook essentiële factoren onbekend. Enkele onbekendheden zijn de exacte hoogte van de brandruimte, de exacte vuurlast in de brandruimte, de exacte hoeveelheid zuurstof in de ruimte en de grootte van de openingen. Wanneer deze factoren bekend zouden zijn, zal de nulmeting hierop zijn aangepast waardoor de resultaten betrouwbaarder zouden zijn. Nu zijn er aannames gedaan voor deze factoren met behulp van kennis in het werkveld en door reverse modelling. Deze aannames zijn dus gebaseerd op betrouwbare bronnen, maar toch komen deze niet volledig overeen met de praktijkmetingen. De simulatieprogramma s die voor dit onderzoek vergeleken zijn met elkaar, zijn programma s die beschikbaar gesteld zijn door Nieman Raadgevende Ingenieurs. Deze programma s zijn CFast (V7.2..), Ozone (V2.2.7), FDS (V6.5.3) en B-RISK (V26.2). Het is mogelijk dat een (nog) onbekend simulatieprogramma ook geschikt is voor een dergelijk onderzoek. Deze kunnen eventueel in het vervolgonderzoek worden onderzocht op geschiktheid. Branden komen in de praktijk nooit exact overeen met elkaar door invloeden van externe factoren. Enkele voorbeelden van externe factoren zijn de windsnelheid, luchtvochtigheid en omgevingstemperatuur. Het is praktisch niet mogelijk om deze factoren constant dezelfde waarde te geven. De in CFast gemaakte aannames voor deze factoren zijn gebaseerd op de datagegevens van het weer op die dag op de locatie Zutphen. Hierbij zijn simulaties uitgevoerd bij windstil weer. Daarnaast zijn er ook onzekere randcondities bij de brandhaard. Hierbij moet gedacht worden aan de aard van de brandstof en de verstoring van de pluim. Er is een mogelijkheid dat er bij de metingen tijdens de praktijkexperimenten enig verschil zit in die waarden. Bij dit onderzoek trad er bij alle experimenten (gedurende een bepaalde tijdsduur) een ondergeventileerde brand op. Dit komt omdat deze experimenten dusdanig waren opgesteld dat voorafgaand al voorspeld werd dat er een ondergeventileerd brandverloop op zou treden, met het oog op de invloed van randcondities. Hierdoor trad altijd een ondergeventileerde brand op en kon onderzocht worden wat de invloeden waren van deze randcondities. In de praktijk treden ten opzichte van vroegere jaren steeds vaker ondergeventileerde branden plaats door de ontwikkelingen in gebouwkenmerken. Hierbij worden gebouwen steeds luchtdichter. Echter treedt er niet bij elke brand in een ruimte een ondergeventileerde brand op, omdat in de praktijk niet alle situaties overeenkomen met vergelijkbare condities zoals bij de simulaties. Pas wanneer deze verhoudingen optimaal zijn ten opzichte van elkaar, treedt een ondergeventileerd brandverloop op. 26

35 7. Aanbevelingen Ten eerste is er een mogelijkheid om dezelfde invoergegevens toe te passen in een ander simulatieprogramma dan CFast. Alle simulatieprogramma s gebruiken andere methoden om aan resultaten te komen. Daarom is het interessant om te bekijken welke resultaten uit andere programma s naar voren komen en op welke wijze deze resultaten verkregen zijn. Hierdoor kunnen de uiteindelijke resultaten met elkaar vergeleken worden waardoor er een bepaalde mate van betrouwbaarheid ontstaat wanneer deze resultaten met elkaar overeenkomen. Ten tweede is er voor dit onderzoek een twee-zone model toegepast in CFast. CFast heeft ook de mogelijkheid om een één-zonemodel uit te voeren, dit wordt shaft genoemd. Wellicht ontstaan hierdoor afwijkende resultaten. Een nadeel hiervan is dat er minder accurate gegevens ontstaan over de verschillen per laaghoogte, die wel ontstaan bij een twee-zone model. Ten derde is gedurende dit onderzoek alleen gebruik gemaakt van de slaapkamer. De omliggende ruimten zijn niet ingevoerd. Wellicht is het mogelijk om deze gegevens in te voeren zodat het complete woonhuis wordt toegepast. Hierdoor kan vergelijkend onderzoek gedaan worden. Daarbij kan worden gekeken of de resultaten met elkaar overeenkomen. Ten vierde kan er gebruik gemaakt worden van een totaal andere brandruimte. Hierbij kan onderzocht worden of er bij bijvoorbeeld een grote fabriekshal waarbij de verhoudingen hetzelfde zijn als bij dit experiment, hetzelfde brandverloop kan optreden of dat dit totaal verschillend is. Ten vijfde kunnen er naar aanleiding van dit onderzoek geen concrete aanbevelingen worden gedaan omtrent het voorkomen van ondergeventileerde branden. Wel is bekend dat dit voorkomen kan worden door goede ventilatie. Hoe minder ventilatie, hoe groter de kans op een ondergeventileerd brandverloop. Dit is terug te vinden in de resultaten. Ventilatie is een van de belangrijkste factoren die bepalend is voor het optreden van een ondergeventileerd brandverloop. Vandaar dat aanbevolen wordt om gebouwen dusdanig te ventileren zodat de kans op een ondergeventileerd brandverloop gereduceerd wordt. Hoe deze ventilatie eruit moet zien is na het bestuderen van de onderzoeksresultaten niet bekend. Dit zou in een vervolgonderzoek bepaald moeten worden. Tot slot zou dit onderzoek in de praktijk kunnen plaatsvinden. Een advies hiervoor is om het op schaal uit te voeren in verband met de mogelijke kosten die gemaakt moeten worden. De ruimte zou gecreëerd kunnen worden door gebruik te maken van betonblokken. Beton heeft de eigenschap een slechte warmtegeleider te zijn, waardoor weinig warmteverlies plaatsvindt in de brandruimte. Deze blokken kunnen dusdanig op elkaar gestapeld worden dat een kleinschalige ruimte ontstaat met mogelijke openingen. Hierdoor kunnen de openingen gemakkelijk gevarieerd worden waardoor geëxperimenteerd kan worden met de groottes en locatie van de openingen. Voor de brandstof kan zowel een vloeistof als een vaste stof gekozen worden. Een vloeistof als brandstof is reguleerbaar en geeft een schone verbranding. Hierdoor kan de intensiteit van de brand voorafgaand aan het experiment bepaald worden zodat de gewenste constante waarde behouden kan worden. Daarom is dit gemakkelijk en betrouwbaar in gebruik. Wanneer er gekozen wordt voor een vaste stof als brandstof, moet er rekening mee gehouden worden dat dit niet reguleerbaar is. De branduitbreiding is hierbij afhankelijk van verschillende externe factoren (type stof, weersomstandigheden en vochtigheid van brandstof). Een voordeel hiervan is dat dit geen schone verbranding geeft waardoor rookvorming ontstaat. Hierdoor ontstaat een rooklaag in de ruimte en zijn de verschillende lagen goed zichtbaar. De brandeigenschappen bij een vaste stof zijn echter niet zo betrouwbaar dan bij een vloeistof. Bij de praktijkexperimenten moet een temperatuurmeter, drukmeter en een meter die zuurstofconcentraties bepaald aanwezig zijn om vergelijkbare resultaten te verkrijgen. 27

36 Bibliografie Boot-Dijkhuis, C., Eggink-Eilander, S., Ruytenbeek, D., & van den Berg, M. (24). Bouwbesluit Brandveiligheid. Delft: Nederlands Normalisatie-Instituut. Branz. (26). Opgehaald van B-RISK - Design Fire Tool: Cadorin, J., Pintea, D., & Franssen, J. (2). The Design Fire Tool OZone V2. - Theoretical Description and Validation On Experimental Fire Tests. Liege: University of Liege. de Witte, i. L., Hazebroek, H., & Weewer, R. (25). Fire Spread and Tenability in Single Family Dwellings: Combining Live Fire Experiments and FSE-Modeling. Arnhem: Instituut Fysieke Veiligheid. Energy Products Group. (27, mei 22). Natuurlijke Verwarming - Hoe infrarood verwarming werkt. Opgehaald van Energy Products Group: Gebhardt, I. (24, mei). Presentatie 5a Brandfysica Introductie principes brandverloop Enschede, Overijssel, Nederland: Saxion Hogeschool. Groenewegen - ter Morsche, d. K., Kobes, d. i., Mertens, d. C., & van Rossum, W. M. (23). Fatale woningbranden 28 t/m 22: een vergelijking. Arnhem: Instituut Fysieke Veiligheid. Hall, N. (25, mei 5). National Aeronautics and Space Administration. Opgehaald van Navier-Stokes Equations: Hazebroek, d. J., Greven, d. F., Groenewegen-Ter Morssche, d. K., & van den Dikkenberg, i. R. (25). 'Het kan verkeren' Beschrijvend onderzoek naar brandontwikkeling en overleefbaarheid bij woningbranden. Arnhem: Instituut Fysieke Veiligheid. Hendrix, J. (2). Firewall - De brandveilige elementengevel. Eindhoven: University of Technology Eindhoven. Kiffen, C. (26, oktober 3). 249 les 4 brandveiligheid zelfredzaamheid. Minor Fysieke Veiligheid. Deventer, Overijssel, Nederland: Saxion Hogeschool Deventer. Lambert, K. S. (2). Brandverloop: technisch bekeken, tactisch toegepast. Den Haag: SDU. Neele, J., & Kilian-Polhuijs, A. (9). Gebruikskwaliteit nieuwbouw 7 - ontwikkelingen in de kwaliteit van nieuwe woningen. Amsterdam: RIGO Research en Advies BV. NIST. (26, november 7 ). Opgehaald van FDS and Smokeview: NIST. (26, november 7). CFAST, Fire Growth and Smoke Transport Modeling. Opgehaald van nist.gov/el/fire-research-division-733/product-services/consolidated-fire-and-smoketransport-model-cfast Peacock, R., McGrattan, K., Forney, G., & Reneke, P. (26). CFAST - Consolidated Fire and Smoke Transport (Version 7) - Volume : Technical Reference Guide. Washington: National Institute of Standards and Technology. Peacock, R., Reneke, P., & Forney, G. (26). NIST Technical Note 889v2, CFAST - Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 7) Volume 2: User's Guide. Washington: National Institute of Standards and Technology. 28

37 Svensson, S. (25). Fire Ventilation. Karlstad, Sweden: Swedish Rescue Services Agency. Tenbült, N. (27). Impact of the balanced mechanical ventilation system on overpressure in airtight houses in case of fire. Eindhoven: Eindhoven University of Technology. Tromp, i. A., & van Mierlo, i. R. (23). Fire Safety Engineering - Handboek voor de bouw. Delft: Eburon. van Herpen, i. R. (27, maart 7). Zwolle, Overijssel, Nederland. Voogd, i. N., & van Herpen, i. R. (27). Fysisch brandmodel - Normalisatie fysische brandmodel Basismodel. Documentnummer: Wu4aaA.rhe. Delft: NEN Bouw. Vossestein, d. M., & van Herpen, M. F. (26). Gevoeligheidsanalyse Reverse Fire Engineering - Bepaling van de maatgevende brandstofkenmerken voor de temperatuurontwikkeling in een brandruimte. Enschede: Saxion University of applied sciences. Wade, C., Baker, G., Frank, K., Harrison, R., & Spearpoint, M. (26). B-RISK 26 user guide and technical manual. Porirua, Nieuw-Zeeland: BRANZ. Weewer, d. i., Tonnaer, d. C., Karemaker, M. M., Flohr, R. M., & de Witte, i. L. (26). Casuïstiek ondergeventileerde branden. Arnhem: Instituut Fysieke Veiligheid.

38 Bijlagen Bijlage Afmetingen experimenthuis Zutphen Begane grond I

39 Eerste verdieping II

40 Bijlage 2 Indeling experimenthuis Zutphen Begane grond III

41 Eerste verdieping IV