Figuur 1. Cascademodel voor branduitbreiding, waarin rekening kan worden gehouden met installatietechnische voorzieningen voor brandbeheersing en rook

Transcriptie

1 NOTITIE Referentie : n.v.t. Behandeld door : Ruud van Herpen MSc. FIFireE Datum : 1 december 2015 Aantal pagina s : 3 en 1 bijlage Betreft : Visiedocument brandveiligheid parkeergarages Risicomodel brandveiligheid Het Bouwbesluit dient als AMvB onder de Woningwet slechts twee hoofddoelen met betrekking tot brandveiligheid: A. Bescherming eigendommen van derden (beperking branduitbreidingsrisico naar buurpercelen); B. Mensveiligheid (beperking slachtofferrisico) Het Bouwbesluit bevat voorschriften om in geval van brand in een compartiment van een gebouw deze hoofddoelen te verzekeren. Die voorschriften bestaan uit functionele eisen die vervolgens per gebruiksfunctie in concrete prestatie-eisen met grenswaarden zijn vastgelegd. De functionele eisen kunnen in de onderstaande subdoelen worden ondergebracht: 1. Voorkomen van branduitbreiding naar buurpercelen (in risicotermen: toelaatbaar falen van branduitbreiding naar buurpercelen). 2. Instandhouding bouwwerk of gebouw (in risicotermen: toelaatbaar falen van de draagstructuur). 3. Beperken uitbreidingsgebied van brand en rook (in risicotermen: toelaatbaar falen van de compartimentering). 4. Instandhouding evacuatieen aanvalsroutes (in risicotermen: toelaatbaar falen van de evacuatieen aanvalsroutes). De subdoelen 1 en 4 bezitten een direct verband met de gestelde hoofddoelen A en B. De subdoelen 2 en 3 (instandhouding draagen scheidingsconstructies) kunnen als extra lines of defense worden gezien. Deze zijn in het onderstaande cascademodel weergegeven.

2 Figuur 1. Cascademodel voor branduitbreiding, waarin rekening kan worden gehouden met installatietechnische voorzieningen voor brandbeheersing en rookbeheersing, (brandwerende) scheidingsconstructies en (brandwerende) draagconstructies. Brandscenario s en randcondities De branduitbreiding in een parkeergarage is sterk afhankelijk van de brandstofkenmerken en brandcompartimentskenmerken. De volgende scenario s zijn denkbaar: 1. Een autobrand in een besloten parkeergarage, zonder voorzieningen voor brand- en rookbeheersing, die via flashover leidt tot een compartimentsbrand; 2. Een autobrand in een niet-besloten parkeergarage, zonder voorzieningen voor brandbeheersing maar met een zodanige (natuurlijke of mechanische) ventilatiecapaciteit dat de flashover voorwaarden niet worden bereikt, waardoor een travelling fire optreedt; 3. Een autobrand in een niet-besloten parkeergarage, zonder voorzieningen voor brandbeheersing maar met zodanige rookbeheersing dat offensief binnenoptreden door de brandweer mogelijk is, waardoor een lokale brand van beperkte omvang geblust kan worden; 4. Een autobrand in een parkeergarage, voorzien van een automatische brandblusinstallatie (sprinkler), waardoor de lokale brand in een vroeg stadium onderdrukt wordt en door offensief binnenoptreden van de brandweer geblust kan worden december 2015 Pagina 2 In t Hart van de Bouw NIEMAN GROEP B.V.

3 Bovenstaande scenario s zijn gebaseerd op een natuurlijk brandconcept. Met een niet-besloten parkeergarage (scenario s 2 en 3) wordt in dit verband bedoeld dat een zodanige luchtverversing aanwezig is dat de flashover voorwaarden in de parkeergarage niet worden bereikt. Er treedt dan nog wel branduitbreiding op naar andere auto s, maar dit is een geleidelijke uitbreiding die onder andere afhangt van de afstand tussen geparkeerde auto s. Naarmate er meer auto s worden aangestoken en de tijd verstrijkt zal de eerste auto op een gegeven moment uitgebrand zijn. Wanneer in het brandscenario niet wordt ingegrepen ontstaat zo een travelling fire, een verplaatsende brand met een lokale omvang van enkele auto s (scenario 2), waardoor uiteindelijk een hele rij geparkeerde auto s kan uitbranden. Het brandvermogen van een travelling fire is aanzienlijk kleiner dan dat van een volledig ontwikkelde compartimentsbrand (post flashover) maar kan wel lang aanhouden. Wanneer in het brandscenario wordt ingegrepen met een offensieve binneninzet kan het brandvermogen verder worden beperkt tot het vermogen op het moment van water op het vuur (na 23 minuten, conform NEN 6098). Daarmee wordt een travelling fire voorkomen en blijft de brand beperkt tot een lokale brand met een relatief geringe piekbelasting, zie bijlage 1. Een offensieve binneninzet door de brandweer is alleen mogelijk wanneer een rookvrije aanvalsroute kan worden gegarandeerd. Dat stelt specifieke eisen aan brandweeroptreden en rookbeheersingsinstallatie (scenario 3). De faalkans van dit scenario is beduidend groter dan die van de andere scenario s. Consequenties voor bestaande parkeergarages In termen van Bouwbesluit 2012 is een parkeergarage een overige gebruiksfunctie voor het stallen van motorvoertuigen. Het Bouwbesluit staat een maximale brandcompartimentsgrootte toe van 2000 m2 (bestaande situaties), waarbij de compartimentsbrand (post flashover) als uitgangspunt dient. Dit geldt als referentiesituatie vanuit publiekrechtelijk oogpunt. Een groter uitbreidingsgebied dan 2000 m2 kan alleen worden toegestaan indien een compartimentsbrand (scenario 1) wordt voorkomen. Dat is het geval voor de overige scenario s (2, 3, en 4). Voor bestaande parkeergarages die groter zijn dan de toegestane brandcompartimentsgrootte is het dus zaak om, afhankelijk van lay-out, bouwkundige constructies en installatietechnische voorzieningen vast te stellen wat de waarschijnlijkheid is van de geschetste scenario s en tot welke thermische belasting dit leidt op draagen scheidingsconstructies. Op grond daarvan kan het risicoprofiel van de garage worden bepaald en kan worden vastgesteld of aanvullende bouwkundige of installatietechnische voorzieningen noodzakelijk zijn december 2015 Pagina 3 In t Hart van de Bouw NIEMAN GROEP B.V.

4 Bijlage 1 Autobrandscenario december 2015 Pagina 4 In t Hart van de Bouw NIEMAN GROEP B.V.

5 Autobrandscenario Wanneer van een natuurlijk autobrandscenario wordt uitgegaan, d.w.z. een scenario waarin niet van buitenaf wordt ingegrepen (geen brandweerinzet), mag worden verwacht dat binnen 60 minuten 10 auto s in brand kunnen raken. Dit is afgeleid uit het CaPaFi model, een breed gehanteerd en gevalideerd model voor het vermogensscenario in geval van een autobrand (zie bij voorbeeld de richtlijn Brandveiligheid van Stalen Parkeergarages van Bouwen met Staal 2011: Vaak wordt een vrij optimistisch uitgangspunt gehanteerd voor de brandomvang van maximaal 3 à 5 brandende auto s. Het is correct dat de verwacht mag worden dat niet meer dan circa 5 auto s gelijktijdig in brand staan (zie figuur 1.1), maar wanneer niet repressief wordt ingegrepen in het brandscenario zal het aantal auto s dat uiteindelijk uitbrandt groter zijn dan 5 auto s. Ook de brandduur is daarmee langer dan de brandduur van 5 auto s (zie figuur 1.2) Parkeergarage autobrandscenario Vermogen RHR [MW] car1 car2 car3 car4 car Tijdsduur [min.] Figuur 1.1: Brandvermogensscenario volgens Capafi per auto met intervaltijden (ontstekingstijden) tussen de auto s december 2015 Pagina 5 In t Hart van de Bouw NIEMAN GROEP B.V.

6 Parkeergarage autobrandscenario Vermogen RHR [MW] Tijdsduur [min.] car1 [MW] car2 car3 car4 car5 car6 car7 car8 car9 car10 car11 car12 car13 Figuur 1.2: Brandvermogensscenario parkeerrij. Het brandvermogensscenario volgens figuur 1.2 houdt een zogenaamde travelling fire in. Een brand van lokale omvang plaatst zich voort door de parkeergarage en stop pas wanneer de afstand naar de volgende auto te groot wordt of er geen volgende auto meer is. Uiteindelijk heeft de travelling fire een stationaire brandomvang met een vermogen van circa 18,5 MW. Wanneer in het brandvermogensscenario van figuur 1.2 wordt ingegrepen (conform NEN 6098 na 23 minuten water op het vuur) zal het maximale vermogen worden gereduceerd van circa 18,5 MW naar 9 MW. Bovendien wordt de belastingduur door repressief optreden verkort tot circa 30 a 33 minuten. De thermische belasting wordt daarmee aanzienlijk gereduceerd december 2015 Pagina 6 In t Hart van de Bouw NIEMAN GROEP B.V.

7 C 16 H 34 Koolwaterstofbrandstof (auto) State relations molecuulgewicht: vormingsenthalpie: [kg/kmol] [10 5 J/mol] verbrandingsenthalpie: [10 5 J/mol] (auto: mix koolwaterstoffen + onbrandbaar mat.) verbrandingswaarde: [MJ/kg] (onderwaarde, LNB-richtlijn) brandstof(f) + zuurstof(o2) --> kooldioxide(co2) + waterdamp(h2o) (mix koolwaterstoffen en onbrandbare producten) M F = [kg/kmol] n F = 2 r = M O2 = [kg/kmol] n O2 = 49 } n CO2 = 32 n H2O = 34 Y F = mass fraction of fuel (in fuel stream i: 1,0) Y O2 = mass fraction of oxygen (ambient oxygen fraction a: 0,233) mixture fraction Z sy ( Y Y ) a F O 2 O 2 i a syf YO 2 Bij Y F =0 en Y O2 =0: Z = mass fractions Z Y F Y O2 Y N2 Y CO2 Y H2O som State relations C 16 H 34 (auto) mass fraction Y YF YN YO2 YCO2 YH2O mixture fraction Z december 2015 Pagina 7 In t Hart van de Bouw NIEMAN GROEP B.V.

8 BIM Media 15 Consequenties van het autobrandscenario Brandveiligheid natuurlijk geventileerde parkeergarages BRANDVEILIGHEID Tekst Ir. Ruud van Herpen FIFireE Voor de brandveiligheid van parkeergarages wordt vaak fire safety engineering toegepast. Dat komt doordat gebruiksfunctie en gebouwtype vragen om een projectspecifieke aanpak. Het brandscenario in een parkeergarage wijkt zodanig af van brandscenario s in andere gebruiksfuncties, dat toepassing van de standaard brandkromme als thermische belasting op draagen scheidingsconstructies niet erg zinvol is. Het is zelfs zo dat de randcondities in een parkeergarage vaak een lokale brand kunnen garanderen; flashover tot een compartimentsbrand treedt niet op. Aangezien een compartimentsbrand voor de brandveiligheidseisen in Bouwbesluit 2012 het uitgangspunt is, zou daarvan kunnen worden afgeweken wanneer een lokale brand kan worden gegarandeerd. Immers, de thermische belasting van een lokale brand is vrijwel verwaarloosbaar in vergelijking met de thermische belasting van een compartimentsbrand, zie figuur 1. Wanneer flashover uitgesloten is, kunnen in principe eisen aan de brandwerendheid van draagen scheidingsconstructies in de parkeergarage achterwege blijven. Ook het maximale uitbreidingsgebied van brand hoeft niet bouwkundig te worden gegarandeerd, waardoor grote compartimenten mogelijk zijn. Mechanisch en natuurlijk geventileerde parkeergarages In besloten parkeergarages is mechanische ventilatie noodzakelijk om voldoende luchtverversing voor de afvoer van ver-

9 16 Bouwregels in de praktijk maart 2014 Figuur 1. Het brandvermogensscenario van een natuurlijke brand in een willekeurig brandcompartiment. De energieinhoud van de lokale brand (het vermogen, geïntegreerd over de tijdsduur) is een fractie van de energie-inhoud van de volledig ontwikkelde compartimentsbrand. Figuur 2. Parkeergarage Jette (Academisch ziekenhuis Brussel). Een zeer open parkeergarage waarin flashover tot een volledig ontwikkelde brand uitgesloten is. Figuur 3. Autobrandscenario volgens CaPaFi. ontreinigingen, zoals koolmonoxide en benzeen, te verzekeren. Die ventilatie kan ook ingezet worden om warmte en rook af te voeren in geval van een brandcalamiteit. Bij voldoende ventilatie wordt daarmee voorkomen dat de flashovercondities in de garage worden bereikt, er ontstaat dan geen volledig ontwikkelde compartimentsbrand. Het is zelfs mogelijk om de mechanische ventilatiecapaciteit in geval van brand zodanig te vergroten en te sturen dat offensief brandweeroptreden in de garage mogelijk is. De lokale brand in de garage kan in dat geval door de brandweer geblust worden. Natuurlijk kan een lokale brand ook met behulp van een automatische blusinstallatie (sprinklerinstallatie) worden beheerst. In dat geval behoeven geen voorwaarden aan de ventilatie gesteld te worden. Open parkeergarages hebben als voordeel dat de warmte die bij een brand vrijkomt automatisch wordt afgevoerd. Bij een voldoende natuurlijke ventilatiecapaciteit worden flashovercondities in de garage niet bereikt. Echter, offensief brandweeroptreden in open parkeergarages is vaak niet mogelijk. Natuurlijke ventilatie laat zich niet sturen, de windcondities zijn hiervoor te overheersend. Vermogen van een autobrand Het piekvermogen van een autobrand is hoog, de tijdsduur van een autobrand is relatief kort, zie figuur 3. Vanwege het hoge piekvermogen is branduitbreiding naar naastgeparkeerde auto s onvermijdelijk. Figuur 4 geeft de afzonderlijke brandscenario s van vier naast elkaar geparkeerde auto s en de gecumuleerde vermogenscurve. Wanneer offensief brandweeroptreden mogelijk is wordt ingegrepen op het vermogensscenario van figuur 4. Bij een parkeergarage met volledige bewaking en automatische doormelding kan de brandweer na 23 minuten water op het vuur brengen, waardoor het brandvermogen vanaf dat tijdstip afneemt totdat de brand volledig geblust is (10 minuten later). Een dergelijk uitgangspunt wordt ook gehanteerd in NEN Indien offensief brandweeroptreden niet mogelijk is, gaan meer dan vier auto s verloren aan de brand. De uiteindelijke brandschade kan dan een hele parkeerrij bedragen. Bij natuurlijk geventileerde parkeergarages kan brandweeroptreden niet worden gegarandeerd en moet rekening worden gehouden met een gecumuleerde vermogenscurve van figuur 5. Uiteindelijk resulteert dit na ongeveer een uur in een stationair brandvermogen van circa 18,7 MW.

10 BIM Media 17 Consequenties brandvermogensscenario De consequenties van het brandvermogensscenario volgens figuur 5, waarvan in natuurlijk geventileerde parkeergarages zou moeten worden uitgegaan wanneer offensief brandweeroptreden niet mogelijk is en ook geen sprinklerinstallatie aanwezig is, zijn bepaald met het zonemodel Ozone. Daarvoor is een natuurlijk geventileerde parkeergarage gemodelleerd, waarvan de openingen juist voldoen aan de voorwaarden voor natuurlijke ventilatie die in de parkeergaragenorm NEN 2443 worden gesteld. In figuur 6 is de geometrie van de garage weergegeven: een 80 meter lange garage, 54 meter breed, met een hoogte van 2,5 meter. In de langsgevels zijn natuurlijke ventilatie-openingen voorzien met een netto doorlaat van 108 m 2 per langsgevel. Figuur 4. Gecumuleerde vermogenscurve bij een scenario dat zich uitbreidt tot 4 auto s volgens CaPaFi. De gestreepte curve geeft het gestyleerde brandvermogensscenario weer. De gemiddelde gastemperatuur in de parkeergarage bij het gegeven brandscenario (dus zonder offensieve brandweerinzet) is weergegeven in figuur 7. Hieruit blijkt dat de gastemperaturen aanzienlijk worden gereduceerd door warmte-accumulatie in de aangrenzende betonnen vloeren. Maar ook in een adiatische berekening, waarin geen rekening wordt gehouden met afkoeling van het gasmengsel aan de aangrenzende constructies, blijft de gastemperatuur zo laag dat geen risico bestaat van flashover tot een compartimentsbrand. Evenmin vormt de gastemperatuur een thermische belasting op draagen scheidingsconstructies. Brandwerende draagen scheidingsconstructies zijn niet nodig om instandhouding te garanderen. Het lijkt erop dat natuurlijk geventileerde parkeergarages altijd zonder brandwerende scheidings- en draagconstructies kunnen worden uitgevoerd, mits de vluchtveiligheid in de garage geborgd is. Uiteraard kan de schade aanzienlijk zijn, maar schadebeperking is geen publiekrechtelijk doel. Schadebeperking is een overweging voor de marktpartijen, in het bijzonder voor de eigenaar en de verzekeraar. Figuur 5. Gecumuleerde vermogenscurve bij een scenario met een ongelimiteerd aantal auto s. De gestreepte curve geeft het gestyleerde brandvermogensscenario weer. Lokale invloeden Het temperatuurverloop in figuur 7 betreft een gemiddelde temperatuur in het volume van de parkeergarage. Er zullen plaatselijk verschillen optreden in de garage, het volume van de parkeergarage zal nooit helemaal homogeen gemengd zijn. Met name dicht bij de brandhaard zal de thermische belasting door convectie en straling vanaf de vlammen groter zijn dan gemiddeld. Het invloedsgebied omvat circa vier parkeerplaatsen rond de as van Figuur 6. Geometrie van de natuurlijk geventileerde parkeergarage met in de 80 meter lange langsgevels een netto doorlaat van 108 m 2 per gevel. de brandhaard. Dat kan nadelig zijn voor een element van de draagstructuur (kolom of ligger) binnen dit invloedsgebied. Wanneer het bezwijken van dat element niet het bezwijken van de gehele draagstructuur tot gevolg heeft is het niet nodig om het betreffende element te behoeden tegen bezwijken (door overdimensionering of door bouwkundige bescherming). Indien bezwijken van het element ten gevolge van de lokale thermische belasting leidt

11 18 Bouwregels in de praktijk maart 2014 Figuur 7. Verloop van de gemiddelde temperatuur in een natuurlijk geventileerde parkeergarage zonder offensieve brandweerinzet, zonder rekening te houden met afkoeling van het gasmengsel aan begrenzende constructies (boven: adiabatisch) en met afkoeling aan betonnen vloeren (onder). tot het bezwijken van de gehele draagstructuur is dat niet toelaatbaar. Om dat te voorkomen zullen alle elementen (kolommen of liggers) van de draagstructuur in de garage bestand moeten zijn tegen die lokale thermische belasting. Immers, de brand kan op elke plaats in de parkeergarage ontstaan. Wanneer de lokale brand niet door een sprinklerinstallatie of door een offensieve brandweerinzet in de garage kan worden beheerst, verplaatst de brand zich verder door de garage. Bij een natuurlijk geventileerde parkeergarage moet hiermee rekening gehouden worden. In dat geval worden meer elementen van de draagstructuur blootgesteld aan die lokale thermisch belasting; in plaats van één element gaat het nu om N elementen. Hoewel de thermische belasting in dit geval niet groter is dan die van een enkel element, worden wel N maal zoveel elementen blootgesteld hieraan. De faalkans van de draagstructuur wordt daardoor ook N maal zo groot. Dit kan worden gecompenseerd door per element de toelaatbare faalkans te verkleinen (vermenigvuldigen) met een factor 1/N, ofwel het brandvermogen te vermenigvuldigen met de risicofactor, behorende bij de kansfactor N. De Nationale Bijlage bij Eurocode 1 (NEN- EN /NB) geeft een omrekentabel voor kansfactoren naar risicofactoren. In figuur 8 is het vanuit het vermogensscenario van een lokale brand die één element (ligger/kolom) thermisch belast (referentiesituatie) het rekenscenario vastgesteld van een lokale brand die zich verplaatst over vijf elementen, respectievelijk tien elementen van de draagstructuur. Bij een toenemend aantal elementen neemt de rekenwaarde van de thermische belasting toe. Op die wijze wordt de grotere faalkans van de draagstructuur gecompenseerd met een kleinere toelaatbare faalkans per element. Feitelijk mag het referentiescenario voor een offensieve brandweerinzet in gunstige zin worden aangepast, wanneer binnen 23 minuten water op het vuur gebracht kan worden. Een sprinklerinstallatie kan nog sneller water op het vuur brengen. Zie figuur 9. Figuur 8. Referentie vermogensscenario van een lokale brand in een parkeergarage (streeplijn, zie ook figuur 4) en de rekenscenario s voor vijf respectievelijk tien maal zoveel elementen die aan de lokale brand worden blootgesteld. Figuur 9 houdt geen rekening met faalkansen van offensieve brandweerinzet en automatische blusinstallatie. In de Nationale Bijlage bij Eurocode 1 worden risicoreducerende maatregelen verdisconteerd in een reductiefactor op het referentie brandvermogen, een vermenigvuldigingsfactor kleiner dan 1. Daarin worden ook de faalkansen van die risicoreducerende

12 BIM Media 19 Figuur 9. Referentie vermogensscenario van een lokale thermische belasting in vergelijking tot het vermogensscenario met een succesvolle offensieve brandweerinzet en met een succesvolle automatische blusinstallatie. in closed car parks CEC Agreements 7210-SA/211/318/518/620/933: Validation of the method and measured rate of heat release of burning cars DiFiSek. NEN Rookbeheersingssystemen voor mechanisch geventileerde parkeergarages NEN Delft, NEN Thermische belasting op basis van het natuurlijk brandconcept, bepalingsmethode NEN Delft, NEN-EN /NB Nationale Bijlage bij Eurocode 1: Belastingen op constructies, Deel 1-2: algemene belastingen, belasting bij brand NEN Delft, NEN 2443 Parkeren en stallen van personenauto s op terreinen en in garages NEN Delft, 2013 maatregelen gewaardeerd. Dat leidt voor een automatische blusinstallatie (risicofactor=0,54 volgens NEN-EN / NB) tot het rekenscenario voor de lokale thermische belasting volgens figuur 10. Conclusie Open parkeergarages, of beter gezegd natuurlijk geventileerde parkeergarages met een natuurlijke ventilatiecapaciteit die vergelijkbaar is met de in NEN 2443 gehanteerde netto doorlaat voor natuurlijke ventilatieopeningen, zijn bij voldoende vluchtmogelijkheden in principe brandveilig. Omdat flashover tot een compartimentsbrand niet optreedt zijn brandwerende draagen scheidingsconstructies niet noodzakelijk. Daarbij moet wel het lokale effect van de brandhaard op de draagconstructies worden beschouwd. Omdat een offensieve binneninzet in natuurlijk geventileerde parkeergarages doorgaans niet mogelijk is, zal het lokale effect van grotere invloed zijn dan in garages waarin een offensieve brandweerinzet wel mogelijk is, of waarin een automatische blusinstallatie aanwezig is. Die invloed van het lokale effect komt tot uitdrukking in de risicofactor die op het brandvermogen kan worden toegepast conform de Nationale Bijlage bij Eurocode 1. Bibliografie Herpen, R.A.P. van - Brandveiligheid beschouwd vanuit risicobenadering Bouwregels in de praktijk pp 18-22, februari CaPaFi version 2.1 Bouwen met staal, Development of design rules for steel structures subjected to natural fires Figuur 10. Referentie vermogensscenario van een lokale brand in een parkeergarage (streeplijn, zie ook figuur 4) en het rekenscenario voor een gesprinklerde autobrand (risicofactor 0,54). Ir. Ruud van Herpen FIFireE is senior adviseur brandveiligheid en technisch directeur bij Nieman Groep en Fellow Fire Safety Engineering op de Unit Building Physics & Services TU/e.