Brandveiligheid en CFD: graag de juiste prestatie-eisen vooraf

Transcriptie

1 Brandveiligheid en CFD: graag de juiste prestatie-eisen vooraf Een voorbeeld a.d.h van de HSL tunnels Tony Lemaire

2 Inhoud HSL tunnels Trace, partijen, eisen/beoordeling brandveiligheid Rook en warmte-afvoer in HSL tunnels Ventilatie-concept Beoordelingscriteria Berekeningen en beoordeling Groene Hart Tunnel Berekeningen en beoordeling Tunnel Rotterdam Noordrand Conclusies

3 HSL Tunnels Boortunnel Groene Hart (TGH) (~7600 m) Cut & cover tunnel Rotterdam NoordRand (TRN) (~2060 m) Zinktunnels Dordtsche Kil TDK) Oude Maas (TOM) (~1600 m)

4 Partijen Brandveiligheid HSL Zuid tunnels RWS HRC DHV Onderzoek & Advies Brandveiligheid tunnels TNO MEP D&C Proj. Bureau HSL Zuid DBFM (25 jaar) Concessie (15 jaar) TNO CVB / Efectis NL 7 Aannemers (onderbouw) Infraspeed (bovenbouw) HSA (vervoerder) Bouwvergunning tunnels Gemeente Brandweer GGD

5 TNO / Efectis O & A ( ) Proj. Bureau HSL Zuid Risico-analyses TNO MEP Aannemers (onderbouw) Brandwerendheid tunnelconstructie Brandscenario s CFD warmte/rook ventilatie (conceptueel) Infraspeed (bovenbouw) Brandwerendheid Vluchtdeuren, brandkleppen Brandscenario s CFD warmte/rook ventilatie (detailering) TNO CVB / Efectis NL Brandcompartimentering Blussystemen Warmte/rook ventilatie (conceptueel, locaal) HSA (vervoerder)

6 Eisen/beoordeling brandveiligheid Proj.org. HZL Zuid Veiligheid hoge prioriteit Uitgangspunt: Integraal VeiligheidsPlan (IVP) Toetsing: Integrale Safety Case (ISC) door ISA ISC = som van Safety Case per partij) IVP gebaseerd op probabilistische aanpak Eisen (incl. uitgangspunten en beoordelingscriteria) aan contractanten vastgelegd in Safety Concepten gebaseerd op IVP Ventilatie concept is voorgeschreven: Langsventilatie (TGH, TDK, TOM) Natuurlijke ventilatie (TRN) Brandweer Hanteert Bouwbesluit (tunnel = bouwwerk) Eis: afstand tussen vluchtdeuren maximaal 60 m Andere oplossingen mogelijk, maar moet gelijkwaardig zijn aan bouwbesluit Deterministische beoordeling Kennisachterstand m.b.t. brandveiligheid tunnels bij aanvang project GGD Eisen m.b.t. blootstelling passagiers aan rookgassen

7 Eisen, realisatie en beoordeling warmte/rook ventilatie in HSL tunnels

8 Ventilatie- en vlucht concept schachten TGH, TDK en TOM Langsventilatie in rijrichting. Stroomopwaarts moet altijd rookvrij blijven; stroomafwaarts zo lang mogelijk; overdruk in nevenbuis Schachten afsluiten bij brand Vluchten via deuren (elke 150 m) naar andere buis Natuurlijke rookventilatie via schachten. Schachten openen bij brand. Rook moet tussen 2 naastgelegen schachten blijven. Vluchten in zelfde buis uit rookzone (~ 150 m lang) TRN schachten trein

9 Zelfredzaamheid Bron:

10 Beoordeling ventilatie-concept Bepaal / kies brandscenario s : Gespecificeerd in Positie (in tunnel, in trein) Safety concept Vermogenskromme en rookproductie (afh. van materiaal) Rookeigenschappen: straling, zicht, toxiciteit Andere condities: Wind Specificeer berekeningsmethode: Literatuur, experimenten, berekeningen (CFD?) Bereken warmte en rook verspreiding Warmte: temperaturen + straling Rookconcentraties: zichtlengte, toxiciteit Stel beoordelingsmethode/criteria: Grenswaarden warmte, rookconc. en verblijftijden of Vluchtmodellen incl. dosis-effect relaties => aantal slachtoffers Beoordeel veiligheid: Veilig vluchten passagiers (zelfredzaamheid) (ontruimingsmodel?) Benadering brand door brandweer

11 TNO/Efectis onderzoeken in beginfase Opdrachtgever: HSL Zuid Literatuuronderzoek brandscenario's: vermogenskrommen brandende trein Beperkte tijd en geld oriënterend onderzoek Resultaat meerdere krommen HSL kiest 30 MW kromme -> in eisen naar Infraspeed CFD: vluchtcondities stroomafwaarts van de trein bij 80 MW brand (dubbel/enkel) en 40 MW met langsventilatie Beperkte tijd en geld oriënterend onderzoek Geen stratificatie waargenomen HSL kiest langsventilatie als concept in TGH en TDK/TOM -> in eisen naar Infraspeed CFD: vluchtcondities in TRN (vrije convectie) Beperkte tijd en geld oriënterend onderzoek Invloed wind niet meegenomen HSL kiest natuurlijke rookventilatie als concept in TRN -> in eisen naar Infraspeed

12 Brandscenario s HSL Gekozen door HSL

13 Omgaan met onzekerheden Worst Excl. 15 min. containment Worst/Medium Windcondities Brandvermogen Best possible approach of reality Rekenmodel Severe (1 hour exp) Medium (worst case acceptable emergency level Grenswaarden Medium Rookproductie Vluchtklimaat Ontruimingstijden Medium Rookeigenschappen Medium Medium Medium Brandpositie in trein Worst Treinpositie in tunnel In Safety C (eis van de Staat) Keuze Infraspeed Verantwoordelijkheid TNO/Efectis + second opinion

14 Grenswaarden (1) Uitgangspunten: Productie roet en toxische gassen = evenredig met brandvermogen Zichtlengte = omgekeerd evenredig met optische rookdichtheid OD OD = evenredig met roet productie Maximale temperatuurstijging = evenredig met brandvermogen Conclusie: Alle grenswaarden (m.u.v. straling) zijn tot ODgrenswaarden te herleiden.

15 Grenswaarden (2) Grenswaarden incident buis omgerekend naar grenswaarden optische rookdichtheid Variable Symbol Required Required OD (1/m) Visibility (light-emitting objects) ZL > 10m < 0.25 Temperature T < 60 o C < 0.52 Carbon monoxide CO < 575 mg/m 3 < 1.80 Hydrogen Chloride HCL < mg/m 3 < 1.20 Hydrogen Cyanide HCN < mg/m 3 < bepalend Nitrogen Oxide NO x < 22.9 mg/m 3 < 2.49 Restricted Visibility ZL & HCL < 0.21 Respiratory tract irritancy HCL & NO x < 0.81 Oxygen provision T & Resp & CO & HCN < 0.32

16 TNO/Efectis CFD voor Infraspeed Tunnel Lengte Ventilatie Aanleiding TDK & TOM ~ 1600 m Langsventilatie met jetfans (stuwdruk) Open houden schachten; overdruk nevenbuis TGH ~ 7600 m Langsventilatie met jetfans (stuwdruk) Open houden schachten;overdruk nevenbuis TRN ~ 2060 m Natuurlijke ventilatie via schachten Invloed wind en zuigereffect treinbeweging

17 Aanpak berekeningen Gebruik gezonde verstand en beschikbare kennis. (Modellering is kunst van het weg laten) Gebruik informatie van experimenten Combineer modellen: 1D ventilatie model 2D zone model 3D CFD model

18 CFD Groene Hart Tunnel Tony Lemaire Yvonne Olij-Kenyon Ingrid Naus

19 Configuratie Scheidingswand Lengte: 7666m Schachten (7) in dak Stuwdrukventilatoren (15 per buis Air dampers Vluchtdeuren naar andere buis

20 Probleemstelling Ventilatieconcept: Mechanische langsventilatie Voorkomt back-layering in incident buis Creëert overdruk in naastgelegen buis Eis van de Staat: Sluit schachten bij brand Dure (aanschaf en onderhoud) brandkleppen vereist Vraag: kunnen de schachten open blijven Aanpak: Evalueer veiligheidsniveau open schachten vs gesloten schachten: stroomopwaarts en stroomafwaarts Gebruik rekenmodellen: ( 1D ventilatie model + CFD - Fluent)

21 HSL Brandscenario vluchten Gebaseerd op literatuur studie TNO; keuze uit krommen door HSL Brand in 20 m lang voertuig in midden van 400 m lange dubbeldekker trein Brandende trein komt tot stilstand op t = 0 s.

22 Aanpak (1) Doel Valideer CFD model. Vindt principes fan-schacht interactie. Optimaliseer CFD model. Onderzoek windinvloed en gedrag van open vs. gesloten schachten. Methode CFD simulaties isotherme stroming in schaal model met verschillende rekenroosters, fan condities en turbulentie modellen. Vergelijking met meetwaarden. CFD simulaties isotherme stroming in deel van tunnel buis met een schacht, verschillende fan posities t.o.v. schacht en verschillende rekenroosters CFD simulaties isotherme stroming in een tunnel buis met/zonder wind en met/zonder trein, bij meest optimale fan posities. Interpretatie van massastromen en drukprofielen.

23 Aanpak (2) Bepaal kritieke treinposities, incl. zuigereffect van bewegende trein. Onderzoek invloed uitvallen fanclusters Optimaliseer rekenrooster in CFD model Bepaal vluchtklimaat in beide buizen bij definitief ventilatie ontwerp bij meest kritieke condities (m.b.t trein positie, open vluchtdeuren and open air dampers). 1D simulaties stroming in incident buis voor 7 treinposities Interpretatie van massastromen en drukprofielen. CFD simulaties isotherme stroming in deel van tunnel buis met een schacht, en verschillende rekenroosters CFD simulaties stroming, temperaturen and concentraties voor brand in tunnel met tegenwind and trein op 2 meest kritieke posities met: gesloten deuren en air dampers open deuren open deuren and open air dampers (Incl. zuigereffect berekend met 1D model ) Beoordeling vluchtcondities.

24 Aanpak en uitvoering Aanpak: bedacht en gestuurd door Infraspeed (& TAB) in overleg met TNO/Efectis Optimalisering ventilatie posities a.d.h. rekenresultaten uitgevoerd door Infraspeed (&TAB) 1D ventilatie berekeningen en CFD berekeningen uitgevoerd door TNO/Efectis Rapportage uitgevoerd door TNO/Efectis Beoordeling door TNO/Efectis

25 Geometrisch model en reken rooster Rooster bij schacht Rooster bij fan Hele tunnel (2 buizen) Shaft N1 Deel van incident buis bij Noord Portaal Jet fan Connection North Ramp and bore tunnel NORTH PORTAL Train 950 duizend hexahedrale cellen in incident buis 1.7 million hexahedrale cellen in hele tunnel

26 Voorbeeld berekende massastromen bij aanvang brand wind shafts driving direction Case 11-4 tube train fire carriage Trein bij ingang Noord Tegenwind 10 m/s Uitval 2 fans (brand + mechanische storing)

27 Voorbeeld berekende optische rookdichtheid

28 Voorbeeld rookverspreiding in incident buis stroomafwaarts Grenswaarde 1 uur blootstelling Grenswaarde worst case emergency

29 Voorbeeld verontreiniging nevenbuis via open tussendeuren

30 Conclusies Vluchtomstandigheden voor vluchtende passagiers en brandweer zijn met open schachten gelijk of beter dan met gesloten schachten: Stroomopwaarts: altijd veilig klimaat Stroomafwaarts: veilig klimaat zolang als redelijkerwijs mogelijk is, d.w.z. tot aan flash-over op t = 240 s, bij vluchttijd van 230 s Stratificatie wordt verstoord stroomafwaarts jet fans Geen kostbare brandkleppen nodig CFD en 1D studie kostbaar en tijdrovend, maar in dit geval lonend

31 Tunnel Rotterdam Noord Tony Lemaire Leander Noordijk

32 Configuratie Cut and cover tunnel Dubbele buis Lengte: 2060 m Doorsnede buis: 40 m 2 Natuurlijke ventilatie via schachten 15 verticale schachten per buis Onderlinge afstand: 150 m Brandkleppen gaan open bij brand schachten Drukontlasting openingen: in scheidingswand met air dampers In zijwand (slechts 7) Zijaanzicht model trein brand

33 Probleemstelling Eis voor veilig vluchten Rook moet blijven tussen de 2 schachten aan weerzijden van de brand Voorstudie verwaarloosde: Zuigeffect van trein Invloed van wind Bepaal of wordt voldaan aan eis, incl.: Zuigeffect van trein Invloed van wind Als niet dan: Bepaal of veiligheidsniveau gelijkwaardig is

34 Eis Rook mag niet voorbij schacht

35 Aanpak Validatie van CFD code Fluent voor natuurlijke ventilatie door schachten CFD model blijkt conservatief CFD studie: invloed treinpositie t.o.v. schacht Zonder en met (mee- en tegen) wind (10 m/s) Incl. zuigereffect (berekend met 1D model) Bepaal meest kritieke trein posities (6 posities) met 1D ventilatiemodel CFD studie: vluchtklimaat voor kritieke treinposities bij verschillende wind richtingen: In totaal 10 cases berekend

36 Geometrisch model TRN Uitbreiding domein Openingen in rijtuig met brand 25m 2.7m 20m 0.8m 1.2m 0.8m 2m 1m 1m 1m 1m 1m 1m 2m 2m 2m 2m 2m 2m Gedetailleerd gemodelleerd tunneldeel schachten Zijaanzicht model trein brand

37 Voorbeeld resultaten Optische rookdichtheid langsdoorsnede vluchtpad op verschillende tijden Rijrichting Geen wind

38 Resultaten Onveilig vluchtklimaat (onveilige zone): Kan optreden stroomafwaarts van de eerste schacht stroomafwaarts van de brand Treedt nooit op stroomopwaarts van de eerste schacht stroomopwaarts van de brand Onveilige zone kan bewegen en uitbreiden/krimpen en een schacht passeren Positie van brand t.o.v schacht is belangrijk Wind condities zijn alleen belangrijk dichtbij de tunnel portalen

39 Beoordeling gelijkwaardigheid Beoordeling onveilige zone: Definitie: < 10 m zichtlengte Lengte moet < 154 m ( = tussenafstand schachten) Twee cases hebben onveilige zone > 154 m Extra beoordeling van deze 2 cases: Deel van onveilige zone stroomopwaarts van de brand is onbelangrijk, omdat de passagiers die in die richting vluchten niet door het rookfront worden ingehaald. Lengte van stroomopwaarts deel onveilige zone < 154 m Alle cases hebben gelijk of beter veiligheidniveau dan oorspronkelijke eis

40 Voorbeeld beoordeling met tijdafstand diagram Run9a-3 Outer platform conditions 420 Downstream zone length 360 Unsafe zone 300 Time (s) Last escaping passenger 120 Shaft S8 Fire Shaft S upstream < Distance to center of fire (m) ----> downstream Voorbeeld tijd-afstand diagram waaruit blijkt dat geen enkele passagier die in stroomopwaartse richting vlucht (groene stippellijn) in de onveilige zone loopt.

41 Conclusies (1) Keuze van safety-concept in beginstadium vaak onder tijdsdruk op beperkte gegevens gebaseerd. Maar wel bepalend voor verder verloop! TNO/Efectis krijgt opdrachten van alle partijen, maar doet niet mee in integraal (besluitvormings)proces. Beoordelende instanties pas in later stadium betrokken, namelijk als ventilatieconcept al vastligt. Kennis achterstand project Voortschrijdend inzicht algemeen (weer een tunnelbrand) Prestatie-eisen ondanks inspanning vooraf onvolledig, soms tegenstrijdig soms onduidelijk. 15 minuten containment, wel of niet? Voortschrijdend inzicht?

42 Conclusies (2) Als achtergronden prestatie-eisen/beoordelingscriteria bekend zijn, kunnen efficiëntere oplossingen makkelijker worden getoetst open schachten in TGH, TDK, TOM gelijkwaardigheid natuurlijke ventilatie in TRN Aannemer moet er maar op vertrouwen dat veiligheid concept haalbaar is; wordt van 2 kanten belaagd: Opdrachtgever (Staat) Vergunningverlener (Gemeenten, brandweer) Brandweer koopt ook kennis in: schakelt derde partij in voor second opinion CFDberekeningen Verwarring m.b.t. probabilistische vs deterministische aanpak