CFD-analyse van het RWA-systeem voor Wibautstraat metrostation

Transcriptie

1 Klant: DIENST METRO AMSTERDAM Postbus CD AMSTERDAM Tel: +31 (0)20/ Consultant: Fire Engineered Solutions Ghent Oudenaardsesteenweg 32 G 9000 Gent Tel: 09/ CFD-analyse van het RWA-systeem voor Wibautstraat metrostation Technisch Rapport PROJECT AUTEUR CONTROLE METRO AMSTERDAM - WIBAUTSTRAAT X. DECKERS, F. XU PROF. B. MERCI DATUM/VERSIE VERSIE 1.0 FESG - PROJECTNUMMER DEEL 1 FESG Oudenaardsesteenweg 32 G mail: admin@fesg.be 9000 Gent Tel: 09/ België BTW: BE

2 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 2/32 INHOUD INHOUD Inleiding Karakteristieken van Wibautstraat & Metro Karakteristieken van het RWA-systeem Beschrijving van het Scenario Performantiecriteria en basisaannames RWA-systeem CFD-analyse Algemene conclusie References Bijlage 1 Metro M Bijlage 2 RWA Schakelmatrix Bijlage 3 Overzicht resultaten uit 1d berekening Bijlage 4 Resultaten: scenario 1 M2 - brand uiteinde... 27

3 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 3/32 1. INLEIDING 1.1 Aanvraag onderzoek Fire Engineered Solutions Ghent bvba (verder FESG) werd gecontacteerd door Metro Amsterdam om een onafhankelijke studie uit te voeren waarbij de performantie van het bestaande RWA-systeem van het metrostation Wibautstraat wordt onderzocht. De Dienst Metro Amsterdam is verantwoordelijk voor de bouw, het beheer en onderhoud van het Amsterdamse metro- en tramnetwerk. Fire Engineered Solutions Ghent is een studiebureau brandveiligheid gespecialiseerd in performantiegerichte brandveiligheidsoplossingen. FESG is opgericht als spin-off van de Universiteit Gent binnen de vakgroep van Prof. Dr. ir. Bart Merci. Voor deze expertisestudie zullen Professor Merci en FESG samenwerken. Het doel van deze studie is een onderbouwde uitspraak te kunnen maken over de werking van het RWA-systeem in het ondergronds metrostation in de Oostlijn. De performantie van het door derden ontworpen rook- en warmteafvoersysteem, inclusief enkele recente bouwkundige wijzigingen, dient beoordeeld te worden door middel van CFD-berekeningen. 1.2 Beperkende lijst documenten Deze studie en analyse wordt uitgevoerd op basis van volgende beperkende lijst documenten, bekend bij de aanvang van de studie: Documentnaam Van datum 419-D_VO+_WBS_10_Nw Group A 18/05/ D_VO+_WBS_11_Nw Group A 16/09/ D_VO+_WBS_12_Nw Group A 16/09/ D_VO+_WBS_13_Nw Group A 18/05/2014

4 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 4/32 2. KARAKTERISTIEKEN VAN WIBAUTSTRAAT & METRO 2.1. Station Wibautstraat Station Wibautstraat ligt naast station Weesperplein op de Oostlijn die loopt vanaf het Centraal Station naar Gein. Figuur 1: voorstelling Oostlijn Er zijn twee verdeelhalen en vier toegangen Figuur 2: Openingen thv het wibautstraat station 4 1 Het centraal platform bevindt zich op niveau -2, met aan weerszijden de sporen van het station Wibautstraat. De lengte van het centraal perron is ongeveer 160 m en de breedte is ongeveer 7.7 m. De hoogte bedraagt 3.3 m Metro trein M2: ouder type De karakteristieken van het metrostel M2 worden als volgt aangenomen: De metro heeft de volgende afmetingen: - Lengte: per wagen 18.7 m, 6 wagens: 112 m - Breedte: 3 m - Hoogte: 3.5 m

5 Brandvermogen (MW) FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 5/32 De metro bestaat uit 6 compartimenten waarbij elk compartiment gescheiden is door middel van deuren. De geometrie die FESG heeft overgenomen is te vinden in bijlage 1. Elk compartiment heeft 6 deuren (3 aan elke kant) met als afmetingen: 2.0 m x 1.3 m (H x B) Elk compartiment heeft 12 ramen (6 aan elke kant) met als afmetingen: 1.0 m x 1.25 m (H x B) Er is geen detectie voorzien in de metrostellen De brandvermogencurve (evolutie van de vrijgestelde warmte in functie van de tijd) voor de M2 is rechtstreeks overgenomen op de curve voorgesteld in het BOM [1] verslag en bevat de volgende kenmerken: - Maximaal vermogen 20MW wordt bereikt in 670 seconden (zie figuur 3). - Dit komt overeen met een groeicurve van 44.4 W/s 2. - Een uitspraak over de toepasselijkheid van de geselecteerde brandvermogencurve in functie van de combinatie aan materialen in het metrostel is buiten de scope van deze opdracht Tijd (minuten) Figuur 3: Opgelegde brandvermogencurve tot 20MW voor M2- BOM rapport

6 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 6/32 3. KARAKTERISTIEKEN VAN HET RWA-SYSTEEM 3.1. Principe van het RWA-systeem (Rook- en Warmte Afvoer) Het platform is onderverdeeld in 4 rookvakken met behulp van 5 rookschermen. Na activatie, dalen deze tot op een hoogte van 2,2 m boven de vloer. De extractie wordt uitgevoerd vanaf 4 extractiepunten, verdeeld over de lengte van het platform (zie Figuur 4 voor principe en 3.3 voor technische realisatie). Elk afzuigpunt zorgt voor een extractiedebiet van 20 m3/ s of 30 m³/s. Verder zijn er aan weerskanten van het station, net in het begin van de tunnelsecties, extractiepunten voorzien. Elk van deze extractiepunten in het noorden en zuiden van het platform hebben een extractiedebiet van 40 m³/s. Deze extractiepunten worden ook als drukontlastingskleppen ( pressure relief shaft ) gebruikt in normale omstandigheden. In geval van brand worden: o 4 extractiepunten geactiveerd over het hele platform o Dalen de rookschermen o Wordt het station aërolisch gescheiden van de tunnel door de massieve extractie voor en na het station. Figuur 4: RWA-concept station Wibautstraat

7 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 7/ Karakteristieken van de huidig voorziene openingen voor verse lucht Natuurlijke luchttoevoer is voorzien via de trappen aan beide zijden (in groen aangeduid op Figuur 4). De trappen Noord en Zuid verbinden de twee ondergrondse niveaus. Er zijn 2 trappen in de noordhal en ook in de zuidhal. De afmetingen van de opening staan in de onderstaande tabel. Verder is er eveneens een mogelijke luchttoevoer via de tunnelkokers. Toevoer Afmeting breedte [m] hoogte [m] gebied [m 2 ] perimeter [m] Table 1: Afmetingen van openingen - Wibautstraat

8 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 8/ Karakteristieken van traject ventilator tot afvoerpunt Informatie uit plaatsbezoek Tijdens een plaatsbezoek werden volgende aspecten waargenomen inzake verdeling van het aërolisch traject tussen de ventilatoren en de afvoerpunten op perron-niveau en worden volgende elementen gevisualiseerd op onderstaande figuur: a. Niveau waar ventilatoren opgesteld staan (zwart) gemeenschappelijke extractieschacht geluidsdempers per ventilatielokaal 2 axiaalventilatoren (V1 en V2, respectievelijk V3 en V4) in parallel, met verdeelpunten: 1. naar kanaalwerk (1 E en 4 E, respectievelijk 1 W en 4 W ) 2. naar massief extractiepunt (P2 respectievelijk P3) b. Niveau van platform: kanaalwerk boven platform (groene aanduiding op schema) diffusorplaten (rode aanduiding op schema) Rookgordijnen 1 tem 5 (blauwe aanduiding op schema) Figuur 5: RWA-systeem station Wibautstraat Ingave in CFD-analyse In de CFD-analyse wordt volgend extractiedebiet in elk RWA-vak verondersteld: Sectie 1: 20 m³/s o 10 m³/s afkomstig van de ventilatoren V1 en V2 via 1E o 10 m³/s afkomstig van de ventilatoren V3 en V4 via 1W Sectie 2: 30 m³/s o afkomstig van de ventilatoren V1 en V2 via massief extractiepunt P2 Sectie 3: 30 m³/s o afkomstig van de ventilatoren V3 en V4 via massief extractiepunt P3 Sectie 4: 20 m³/s o 10 m³/s afkomstig van de ventilatoren V1 en V2 via 4E o 10 m³/s afkomstig van de ventilatoren V3 en V4 via 4W Belangrijk om te beseffen, is dat in realiteit de debieten zullen worden verdeeld in functie van de drukverliezen over de verschillende aërolische delen. Dit aspect is niet meegenomen in de analyse van FESG. We raden aan om bij de testen te meten

9 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 9/32 hoe de debieten worden verdeeld en of dit overeenkomt met de aannames uit het ontwerp.

10 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 10/32 4. BESCHRIJVING VAN HET SCENARIO 4.1. Brandlocatie 1: uiteinde platform Bij een brand in het eerste treincompartiment, waarbij de rook eerst in secties 1 en 2 zal stromen: o Bij rookdetectie (na 60 seconden, zie sensitiviteitsstudie CFD [2]) 1 : i. wordt de extractie in het station opgestart op 100% ii. totaal extractiedebiet van 100 m 3 /s op het platform 1. 2-NMT-RWA-1-VE01 (20 m 3 /s) 2. 2-NMT-RWA-1-VE02 (30 m 3 /s) 3. 2-NMT-RWA-1-VE03 (30 m 3 /s) 4. 2-NMT-RWA-1-VE04 (20 m 3 /s) iii. De massieve extractie net op de rand van platform en tunnel worden opgestart op 100% 1. Noord-zijde: totaal extractiedebiet van 40 m 3 /s a. 2-NMT-RWA-N-STUW-VE01 (20 m 3 /s) b. 2-NMT-RWA-N-STUW-VE02 (20 m 3 /s) 2. Zuid-zijde: totaal extractiedebiet van 40 m 3 /s a. 2-NMT-RWA-Z-STUW-VE01 (20 m 3 /s) b. 2-NMT-RWA-Z-STUW-VE02 (20 m 3 /s) iv. De massieve extractie in het midden van de tunnelsecties Noord en Zuid worden opgestart op 100% 1. Noord-zijde: totaal extractiedebiet van 40 m 3 /s a. 1-TUN-RWA-VE01 (20 m 3 /s) b. 1-TUN-RWA-VE02 (20 m 3 /s) 2. Zuid-zijde: totaal extractiedebiet van 40 m 3 /s a. 2-TUN-RWA-VE01 (20 m 3 /s) b. 2-TUN-RWA-VE02 (20 m 3 /s) o Bij lineaire detectie (aanname na 150 seconden [2]): i. alle rookschermen dalen tot op 2,2 m boven de vloer, behalve rookscherm 2. Dit is een kritisch scenario aangezien de brandhaard zich bevindt tussen de secties 1 en 2 en de thermiek dus sterker zal zijn richting trappen Noord. Figuur 6: Brandlocatie 1: brand aan uiteinde van het platform Wibautstraat 1 Deze parameters zijn gebaseerd op de studie van Nieuwmarkt omdat beide stations vrij gelijkaardig zijn. Als gevolg van de locatie van station Wibautstraat op de Oostlijn, werden correcte randvoorwaarden toegepast, afwijkend van Nieuwmarkt station.

11 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 11/32 5. PERFORMANTIECRITERIA EN BASISAANNAMES RWA-SYSTEEM 5.1. Performantiecriteria Aangezien FESG enkel het gedeelte bekijkt van de ASET (Available Safe Egress Time), of de tijd die voorhanden is vooraleer er onhoudbare condities optreden, zijn ook de performantiecriteria overgenomen uit het BOM-rapport. De performantiecriteria voor de personenveiligheid uit de gecombineerde ASET-RSET analyse werden als volgt gedefinieerd: gedurende de volledige evacuatie dienen volgende toetscriteria voor leefbare omstandigheden zoals vastgesteld door BOM, te worden gerespecteerd [1] & [3]: Wamtestralingsniveau < 2,0 kw/m 2 Temperatuur < 50 ºC Zichtlengte naar lichtreflecterende voorwerpen > 10m Deze performantiecriteria dienen te worden gecontroleerd op een hoogte van 2.1 m boven de vloer. Toxiciteitscondities worden niet expliciet bekeken, aangezien verondersteld wordt dat de bovenstaande criteria zullen worden overschreden vooraleer de toxische concentraties of dosissen worden bekomen. Bovendien kan dit enkel bekeken worden in een gecombineerde ASET-RSET berekening Aannames door FESG Deze studie houdt rekening met de nieuwe RWA-matrix, nadat er in 2014 een optimalisatie plaatsgevonden, door middel van de 1D-analyse van FESG [4]. De aannames uit deze studie houden rekening met de aannames uit de geoptimaliseerde schakelmatrix. De belangrijkste aannames die hebben geleid tot deze gewijzigde schakelmatrix zijn hieronder opgelijst. Deze aannames worden meegenomen als randvoorwaarden in de CFDanalyse (zie hoofdstuk 6) Drukverliezen in tunnelsecties - De oostlijn bevat 5 ondergrondse stations en 5 tunnelsecties met een variabele dwarsdoorsnede. - Aërolisch gezien is elk station via trappen verbonden met de omgeving waar atmosfeercondities gelden. - In geval van brand in een bepaald station, zal het ontworpen RWA-systeem opstarten in een bepaald scenario. Echter zal het RWA-systeem worden beïnvloed door de stroming in de tunnel. - Afhankelijk van de plaats van het brandscenario, kan de stroming in de tunnelsecties, de efficiëntie van het RWA-systeem beïnvloeden. - Wanneer de stroming uit de tunnelsecties richting platform komt, zal de stroming van de trappen tot het platform afnemen. - Hierdoor zou er rookverspreiding richting de trappen kunnen volgen. Om een inschatting te kunnen maken van de drukverliezen in de tunnelsecties, heeft FESG een 1D berekening van het aërolisch schema van de Oostlijn uitgevoerd ter hoogte van station

12 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 12/32 Waterlooplein. Daarna werd er d.m.v. een plaatsbezoek en op basis van op basis van de plannen een verfijning uitgevoerd inzake de ingegeven geometrie van de Oostlijn, zoals beschreven in [5]. De bekomen verdeling van stroming over het aërolisch netwerk is terug te vinden in het rapport [4] Activatie van RWA Uit CFD simulatie wordt duidelijk dat rookdetectie plaatsvindt na 60s i.p.v. 30s, welke was aangenomen door ARCADIS [6]. Na de rookdetectie wordt het RWA-systeem geactiveerd om onmiddellijk op vol vermogen te kunnen werken. Eens de locatie van de brand is bevestigd d.m.v. de lineaire detectie, worden de betreffende rookgordijnen neergelaten. Gelijkaardig aan de rookdetectie, geeft CFD simulatie resultaten inzake activatie van de lineaire detectie over een interval van s afhankelijk van het alarmniveau. Door de hoge onzekerheid inzake temperatuursgradiënt in het model en de ontbrekende testresultaten is het moeilijke om een nauwkeurige inschatting te maken voor de detectietijd. Als een gevolg hiervan wordt aangenomen dat de locatie van de brand wordt bevestigd binnen de 90 s na rookdetectie of manuele interventie. Dit betekent dat de rookgordijnen zullen neerdalen na 150 seconden van het ontstaan van een brand, onafhankelijk of de lineaire detectie heeft gereageerd Wind invloed Het station Wibautstraat heeft 4 ingangen (2 aan noord-hal en 2 aan zuid-hal) van maaiveld naar niveau -1 Afhankelijk van de windrichting, kan de gecreëerde hoofdstroming op niveau -1 een effect hebben op het RWA-systeem. Deze impact wordt niet meegenomen in dit rapport Brandkarakteristieken De voorgeschreven brandvermogencurve wordt rechtstreeks overgenomen zoals opgelegd in de referentierapporten. Daarnaast zijn onderstaande aannames voor wat betreft karakteristieken van de brand gemaakt die worden meegenomen in de CFD-berekeningen. HRR [MW] Soot [g/g] CO [g/g] Verbrandingswaarde [kj/kg] Scenario ,000 Table 2: Karakteristieken van brand

13 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 13/32 6. CFD-ANALYSE 6.1. Inleiding Een CFD-simulatie houdt rekening met alle specifieke geometrische details in het station, zoals de rookreservoirs, de muren, rookschermen en de positie van luchttoevoer en RWA. Deze berekening zal de temperatuurverdeling en de evolutie van de warme rookgassen in het station weergeven in functie van de tijd, zodat kan worden nagegaan indien het RWAsysteem aan de vooropgestelde performantiecriteria voldoet. Een 3D-model van het station werd opgebouwd in FDS 5.5 (Fire Dynamics Simulator 2 ) van NIST. CFD staat voor Computational Fluid Dynamics en is een eindige volumetechniek. Dat betekent dat de basiswetten van warmte- en massatransport met numerieke technieken worden opgelost en dit voor een zeer groot aantal controlevolumes, waarin het berekeningsmodel wordt opgedeeld. Doordat de CFD techniek fundamentele wetten toepast uit de stromingsdynamica, is een accurate simulatie van alle belangrijke fysische processen verzekerd. Complexe fysische en chemische fenomenen zoals turbulentie, verbranding en straling worden met specifieke submodellen gemodelleerd. Een CFD simulatie wordt typisch onderverdeeld in volgende stappen: Pre-processing Eerst wordt de geometrie van het station gemodelleerd, waarbij alle van belang hebbende objecten worden gemodelleerd en bepaalde vereenvoudigingen worden weergegeven. Daarna wordt het berekeningsdomein vastgelegd, dit is een afgebakend volume rond het model van het station waarbinnen de simulatie zal gebeuren. Hierbij wordt het virtueel 3Dmodel opgedeeld in honderdduizenden controlevolumes of gridcellen. Zo wordt een 3D raster of grid bekomen, waarvoor over elke cel de balansen van massa, energie, impuls en chemische stof worden uitgedrukt. In dat model wordt een virtuele brandhaard geplaatst, waarvan de warmtevrijstelling in functie van de tijd wordt gespecificeerd. Na het specifiëren van de grens- en begincondities bevat het model van het station alle relevante informatie: de geometrie, de gebruikte materialen en hun thermische eigenschappen, de RWAinstallatie CFD-berekening Bij de CFD-simulatie zelf wordt een keuze gemaakt in gebruikscondities, fysische modellen (turbulentiemodel, verbrandingsmodel, dimensionaliteit,...) en numerieke algoritme inputs (tijdstap, lengtestap,...). In de berekeningsmodule van het programma worden voor elke gridcel de behoudsvergelijkingen van warmte- en massatransport uitgedrukt. De exacte formulering van het probleem zou bestaan uit differentiaalvergelijkingen die elk behoud (massa, impuls, enthalpie en chemische stof) uitdrukken in elk punt van de ruimte en de tijd. De analytische oplossing van dit probleem kan echter niet worden gevonden. Daarom worden de differentiaalvergelijkingen gediscretiseerd en wordt elk behoud uitgedrukt over de eindige gridcellen. Het zeer groot stelsel algebraïsche vergelijkingen, dat hieruit voortvloeit, kan worden opgelost met een numerieke procedure. De oplossing bevat de 2 Voor uitgebreide informatie over de werking en modellen zie:

14 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 14/32 evolutie en de ruimtelijke distributie van de temperatuur, de luchtsnelheden en de stofconcentraties. Bijzondere fenomenen eigen aan brand, zoals verbranding en warmtestraling, worden berekend a.d.h.v. specifieke submodellen. Een enkele transiënte simulatie van een dergelijke station vereist typisch CPU tijden in de order van een week Post-processing In dit onderdeel worden de CFD resultaten van de berekeningen onder de loep genomen en verwerkt. Zo kunnen de resultaten worden gevisualiseerd in het 3D-model van het gebouw d.m.v. 2D contourplots of 3D iso-oppervlakken. Een contourplot geeft de distributie van een gekozen parameter weer in een horizontaal of verticaal vlak d.m.v. kleurencodes. Een iso-oppervlak verbindt alle punten in de ruimte waarin de gekozen parameter dezelfde waarde vertoont. Vaak is één CFD-simulatie niet voldoende, maar moet de grid-sensitiviteit worden nagegaan door (een deel van) de berekening te herdoen met een fijner grid en na te gaan dat er door de variatie geen significante verschillen optreden in de relevante grootheden. Ook kan blijken dat bepaalde parameters van het fysisch model of van het numeriek algoritme dienen te worden aangepast. CFD is een belangrijke tool voor de Fire Safety Engineer 3 en kadert binnen de wereldwijde evolutie naar performantiegerichte oplossingen om aan de brandveiligheidseisen te voldoen, i.p.v. met de traditionele aanpak waarbij prescriptieve codes worden toegepast Beschrijving van het model Geometrie en grid De geometrie is ingegeven in het model zoals weergegeven op onderstaande figuur. Het model van het station werd opgebouwd in functie van een simulatie met het CFD-pakket FDS 5.5 van NIST. Alle geometrische delen die van belang zijn werden ingegeven in het 3D-model, met de beperking dat de geometrie moet passen op een carthesisch rekenrooster aangezien de gridcellen rechte hoeken moeten hebben: Trappenhuizen zijn in het geel; Kolommen en balken zijn in het grijs aangeduid; Steunbalken en sassen zijn in het grijs aangeduid; Voorziene muren zijn eveneens in het grijs aangeduid; Platform-niveau o De plaats van de brandhaard staat aangeduid in het rood o De RWA schacht wordt in het rood weergegeven o De werkende extractiepunten zijn in het rood aangeduid. 3 We verwijzen naar het eindwerk Vergelijkende Studie tussen CFD-simulaties en grootschalige brandproeven van ir. X. Deckers aan de Universiteit Gent (Fire Safety Engineering ) voor een meer volledige bespreking van deze materie.

15 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 15/32 Figuur 7: Geometrie station Wibautstraat Figuur 8: Geometrie van Hal (Noord en Zuid) Figuur 9: Geometrie van het platform Het gestructureerde rekenrooster bevat een groot aantal hexaëdrische cellen (kubussen en balkjes). Dit gekozen rekenrooster is voldoende fijn om de belangrijkste lengteschalen die bij turbulentie optreden op een voldoende wijze op te lossen. De keuze van de celgrootte 4 is afhankelijk van de karakteristieke diameter die wordt gegeven door de volgende relatie. Q D = ( ρ C p T g ) Daar waar de karakteristieke diameter slechts een eerste inschatting is van het rekenrooster, heeft FESG interne validatiestudies [8] gedaan die de verantwoording van de gemaakte aannames onderbouwen voor deze specifieke situatie.

16 HRR [kw] FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 16/32 HRR Grofmazig Medium Fijn [D*/4] [D*/10] [D*/16] 20 MW 0.8 m 0.32 m 0.2 m Table 3: keuze van de grid grootte Hieronder vindt u een overzicht van de gebruikte rekencellen tijdens de verschillende berekeningen. Scenario Celgrootte voor celgrootte voor platform [m] hal [m] Scenario Table 4: Rekencellen Brandmodel Metro M2 Het compartiment in de M2 is onderverdeeld in 4 zones om branduitbreiding binnenin het compartiment te modelleren. De ontsteking gebeurt in sectie S1 en breidt uit naar de secties S2, S3 en S4. De branduitbreiding werd in het model zo opgelegd dat de combinatie van de 4 secties samen, de brandvermogencurve van een M2-metrostel volgt (Figuur 12). Voor wat betreft ventilatie werd er verondersteld dat de 3 deuren naar het perron open zijn bij de start van de brand. Bijkomend wordt er van uit gegaan dat de vensters breken zodanig dat de brandhaard te allen tijde brandstofgecontroleerd blijft. Figuur 10: Brandvoortplanting in M Tijd [s] Actual HRR S1 S2 S3 S4 Figuur 11: Opgelegde brandvermogencurve van een M2-stel in het CFD-pakket

17 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 17/ Ventilatie in het model Toevoer De trappen van het niveau -1 tot het grondniveau voorzien het station van verse lucht. Deze openingen zijn altijd open. In het model wordt hier een atmosferische totale druk opgelegd. Dit betekent dat er geen rekening wordt gehouden met een eventuele windbelasting op het gebouw. In de onderstaande tabel worden de oppervlakte van de openingen weergegeven die worden gemodelleerd in CFD. Deze openingen worden gemodelleerd als verticale openingen aan de aantrede van de trap. Toevoer Afmeting breedte [m] hoogte [m] gebied [m 2 ] perimeter [m] Table 5: Afmetingen van openen Extractie 1. Extractiepunten in het station worden geactiveerd onafhankelijk van de locatie van de brand. In elk geval worden steeds de extractiepunten geactiveerd. 2. Daarbovenop worden 2 extra extractiepunten voorzien in het begin van de tunnel ten noorden en ten zuiden van het station met elk een extractiedebiet van 40 m³/s. 3. Daarbovenop worden 2 extra extractiepunten voorzien in het midden van de tunnel ten noorden en ten zuiden van het station met elk een extractiedebiet van 40 m³/s.

18 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 18/32 P1 P2 P3 P4 10 m 3 /s 10 m 3 /s 15 m 3 /s 15 m 3 /s 30 m 3 /s 10 3 /s 10 m 3 /s Figuur 12: Modellering van extractie in CFD Daar waar 1 rechtstreeks opgenomen werd in het model, werd het effect van 3 en 4 in rekening gebracht in een 1D-model en werden randvoorwaarden opgelegd in het CFD-model afhankelijk van de bekomen waarden uit het 1D-model. o o o Dus is het belangrijk om de juiste randvoorwaarden aan het einde van het perron. FESG heeft een 1D studie, rekening houdend met alle openingen en parameters uitgevoerd. Op basis hiervan werden correct stromingscondities aan van de grenzen van het perron geïmplementeerd. De resultaten van 1D studie worden hieronder beschreven: Tijdstip / Luchthoeveelheid [m 3 /s] voor extractie noord na extractie noord voor extractie zuid na extractie noord 30s s s s s s Table 6: Verdeling van de luchtvolumes -Wibautstraat station Figuur 13: Schema voor de verdeling van de luchtvolumes - Wibautstraat station

19 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 19/32 Wind invloed: o Wibautstraat is het laatste station op de Oostlijn en iets verder van het station is de grote opening van de tunnel. Afhankelijk van de windrichting, is eerder aangetoond, dat de wind een grote impact op de doorstroming en de prestaties van het RWA-systeem kan hebben. o Dit is hier niet in rekening genomen. De reden waarom brandlocatie 1 wordt gekozen, is omdat het meer kritisch is in dit geval, omdat de brand zich net voor de noordelijke traphal bevindt De parameters van het model Lucht wordt als een onsamendrukbaar, ideaal gas verondersteld. Dit betekent dat de dichtheid functie is van de temperatuur, zodat natuurlijke convectie mee in rekening wordt gebracht, maar niet rechtstreeks van de druk. De relatief lage snelheden die in de stroming voorkomen maken deze aanpak geldig. Rook en roet worden behandeld als een homogeen gas met de eigenschappen van lucht. Dit is de gangbare praktijk. Deze vereenvoudiging heeft een veel kleinere invloed op de resultaten dan de aanname van een brandscenario. De rookproductie wordt ingegeven als een vast percentage van de verbrandingssnelheid. Deze roetproductiefactor (soot yield) werd ingegeven als 10% voor M5. Dit betekent dat op elk moment een hoeveelheid roet wordt vrijgegeven dat gelijk is aan 10% van de massa die per tijdseenheid opbrandt. Turbulentie is in rekening gebracht met het LES model (Large Eddy Simulation). Hierbij worden de grootschalige driedimensionale, niet-stationaire turbulente bewegingen direct uitgerekend terwijl de effecten op kleinere schaal gemodelleerd worden. We mogen dus een grotere nauwkeurigheid en betrouwbaarheid verwachten dan bij zogenaamde RANS modellen (Reynolds Averaged Navier Stokes), waarbij het model gebaseerd is op een tijdsgewogen gemiddelde van alle turbulente fluctuaties. Voor wat betreft brandsimulaties heeft dat een sterke invloed op de vorm van de zuil opstijgende rookgassen. Er is verondersteld dat 65% van het brandvermogen terug te vinden is in de zuil hete gassen die uit de brand opstijgt, waarbij de overige 35% van het vermogen de brand verlaat als straling. Deze stralingswarmte wordt opgenomen door de bouwmaterialen (vloer en wanden) Relatie tussen de rookconcentratie en de zichtbaarheid Een concentratie aan roetpartikels kan worden vertaald in een zichtbaarheid. De gebruikte correlatie tussen zichtbaarheid en rookconcentratie dient duidelijk te worden gedefinieerd. Zo kan de zichtbaarheid door rook uit de CFD-resultaten (rookconcentratie) worden bekomen volgens volgende empirische formule: S = C/(K m ρy S ) Hierin is S de zichtbaarheid en is C een constante (gelijk aan 3 voor lichtreflecterende objecten), is K m een uitdovingcoëfficiënt (de waarde 8700 m²/kg is toepasselijk voor veel materialen zoals hout of plastieken), ρ de plaatselijke dichtheid en Y S de plaatselijke roetproductiefactor (hier 0.1; zie eerder).

20 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 20/ Resultaten van het model In dit hoofdstuk vindt u de beschrijving van het bekeken scenario en de conclusies gebaseerd op de resultaten in termen van rookverspreiding, temperatuur en zichtbaarheid. Voor de representatie van de resultaten verwijzen we naar bijlages Scenario 1: metrostel M2 met brandlocatie 1 (uiteinde) Brandscenario 1 is een brandend metrostel type M2. De brandhaard is in het rood aangeduid. Figuur[ 许锋 1] 14: CFD model scenario 1 (M2 uiteinde) De doelstelling van deze CFD-analyse is om te bepalen tot wanneer de performantiecriteria voor aanvaardbare evacuatiecondities worden behouden voor een brand aan het einde van het perron (brandlocatie 1). Zoals eerder vermeld, is brandlocatie 1 een ontwikkelende brand, startend in het metrostel aan het uiteinde van het perron. In dit metrostel start de brand aan het verste uiteinde, dicht bij de trappen. Het RWA-scenario is gebaseerd op de matrix in bijlage 2: concreet gezien wordt de extractie opgezet in de extractiepunten gelijkmatig op het platform. De randvoorwaarden ter hoogte van de uiteinden van het perron werden overgenomen uit het 1D-model. De evaluatie van de performantiecriteria gebeurt op een hoogte van 2.1 m van het platform (BOM). Sectie CFD FESG Zicht Temperatuur Noord Hal trap RWA sectie RWA sectie RWA sectie RWA sectie Zuid Hal trap Tabel 7: Resultaten van Brandscenario 1 (M2 uiteinde) bij 2.1 m boven de vloer Algemene conclusie: De Noordelijke trappen dat verbonden is met de noordverdeelthal is gevuld met rook na 8 minuten. De zuidelijke trappen (verbonden met niveau -1) blijft rookvrij gedurende de eerste 15 minuten. Het temperatuurscriterium en het zichtbaarheidscriterium zijn in bovenstaande tabel weergegeven.

21 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 21/32 7. ALGEMENE CONCLUSIE 7.1 Conclusie uit hoofdrapport FESG werd gecontacteerd om voor het Wibautstraat station op de Oostlijn een studie uit te voeren met als doel de performantie van het bestaand RWA-systeem te controleren. o o o De door FESG aangenomen randvoorwaarden houden rekening met de drukverliezen over de verschillende toevoermogelijkheden uit station (trappen) en tunnelmonden (andere stations op de Oostlijn), omdat deze een impact heeft op de verdeling van de verse toevoerlucht tot het perron. Dit werd met een 1D-model bepaald (zie [5] en [4]). Door middel van een CFD-analyse werden de gevolgen van een metrobrand op 1 kritische locatie bepaald. De scenario representeerde een brand in een oud (M2-metro) stel zowel in het uiteinde van het perron. Voor het RWA-systeem werd de huidige configuratie voor activering van extractiepunten en rookgordijnen gevolgd zoals vermeld in bijlage 2, met volgende aanpassingen: rookschermen komen naar beneden, maximum 90 seconden na de rookdetectie. o De resultaten worden getoetst op rookverspreiding en houdbaarheidscondities (rookverspreiding, zichtbaarheid en temperatuur). De resultaten tonen aan dat voor een brandende metro in het uiteinde gedeelte, er rookverspreiding is naar het niveau -1 aan de noordzijde na ongeveer: - 8 minuten na het ontstaan van de brand.

22 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 22/32 REFERENCES [1] PEUTZ, I. D. d. Boer en I. J. Mertens, Branonderzoek metro; eindrapportage. [2] FESG, Metrostation Nieuwmarkt sensitiviteitsstudie v2.0, 31 March [3] D. I. V. e. V. (DIVV), Amsterdamse Leidraad Integrale Veiligheid ondergrondse tram- en metrosystemen (ALIVe), June [4] FESG, Optimalisatie-studie RWA-systeem Oostlijn metro Amsterdam V2.0, 20 March [5] FESG, Aannames voor 1D-analyse Oostlijn metro Amsterdam v1.0, 28 February [6] ARCADIS, Toetsing Zelfredzaamheid Station Nieuwmarkt en Wibautstraat Amsterdam Metro Oostlijn - Tunnelveiligheid v5.0, 19 Feburary [7] A. Ahmad en FESG, Validation & sensitivty analysis for Memomial Tunnel Tests using CFD (FDS 5.0), August 2012.

23 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 23/32 BIJLAGE 1 METRO M2

24 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 24/32 BIJLAGE 2 RWA SCHAKELMATRIX Figuur 15: RWA Schakelmatrix

25 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 25/32 BIJLAGE 3 OVERZICHT RESULTATEN UIT 1D BEREKENING Het 1D-model bestaat uit de in 2.3 beschreven geometrie, openingen en extractiepunten. De legende is als volgt te lezen: Openingen worden in het zwart weergegeven ; Y zijn de drukontlastingskleppen; E_P is de extractie op een platform; E_S de extractie op het uiteinde van het platform en E_T de extractie in het midden van de tunnel. De extractie is in het rood weergegeven indien actief en in het grijs indien niet actief. Vergelijkbaar voor drukontlastingskleppen. Figuur 16: configuratie voor Wibautstraat station

26 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 26/32 Figuur 17: Luchthoeveelheid in de tunnel Wibautstraat station geen wind

27 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 27/32 BIJLAGE 4 RESULTATEN: SCENARIO 1 M2 - BRAND UITEINDE [s] Smoke Spread Temperature [ 0 C]

28 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 28/

29 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 29/

30 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 30/32 [s] Optical density [m -1 ] Visibility [m]

31 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 31/

32 FESG Project : CFD metro Amsterdam Wibautstraat 32/