CFD-analyse van het RWA-systeem voor Centraal metrostation

Transcriptie

1 Klant: DIENST METRO AMSTERDAM De heer Gert-Jan Ransijn Postbus CD AMSTERDAM Tel: +32 (0)20/ Consultant: Fire Engineered Solutions Ghent Oudenaardsesteenweg 32 G 9000 Gent Tel: 09/ CFD-analyse van het RWA-systeem voor Centraal metrostation Technisch Rapport PROJECT AUTEUR CONTROLE METRO AMSTERDAM - CENTRAAL X. DECKERS, A. AHMAD PROF. B. MERCI DATUM/VERSIE VERSIE 02 FES - PROJECTNUMMER DEEL 3 FESG Oudenaardsesteenweg 32 G mail: admin@fesg.be 9000 Gent Tel: 09/ België BTW: BE

2 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 2/46 : CS (versie2.0) INHOUD INHOUD Inleiding Karakteristieken van Centraal station & Metro Karakteristieken van het RWA-systeem Beschrijving van de scenario s 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 [6] [5] Bijlage 4 resultaten: scenario 1 - M2 - brand uiteinde Bijlage 5 resultaten: scenario 2- M2 - brand midden... 41

3 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 3/46 : CS (versie2.0) 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 Centraal 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 dient beoordeeld te worden door middel van CFD-berekeningen. 1.2 Geschiedenis analyse 2008 De oude metrolijn van Amsterdam Centraal naar Amsterdam Zuidoost bestaat ondertussen bijna 35 jaar. De dienst Metro Amsterdam is verantwoordelijk voor de renovatie van de Oostlijn. Het project waarbij de renovatie van de Oostlijn centraal staat bestaat uit: 1. Het verbeteren van de vluchtwegen in ondergrondse stations en in de tunnel. 2. Het moderniseren van de 16 stations. In 2008 heeft het studiebureau Arcadis Nederland de opdracht gekregen van de dienst Infrastructuur Verkeer en Vervoer (DIVV) in het kader van tunnelveiligheid om de ondergrondse stations te analyseren met betrekking tot de voornaamste veiligheidsdoelstellingen. Dit betreft onder andere veilige ontvluchting (zelfredzaamheid1). De toetsing betrof de vijf ondergrondse stations: Centraal Station (CS), Nieuwmarkt (Nmt), Waterlooplein (Wlp), Weesperplein (Wpp) en Wibautstraat (Wbs). Voor een paar stations heeft Arcadis de toetsing gedaan waarbij vergeleken werd of de vereiste evacuatietijd kleiner was dan de beschikbare evacuatietijd vooraleer er onhoudbare condities optreden. In dit kader werden er een aantal CFD-simulaties uitgevoerd om de tijdsevolutie van de rookverspreiding, temperaturen en zichtlengtes te kunnen gebruiken als performantiecriteria die zouden bepalen op welk tijdstip de condities onhoudbaar werden om te evacueren.

4 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 4/46 : CS (versie2.0) De conclusie van het rapport was dat het voorgesteld RWA-concept het vereist veiligheidsniveau haalde aangezien alle aanwezigen het station in geval van brand konden verlaten vooraleer er onhoudbare condities optraden. 1.3 Analyse situatie anno 2013 Momenteel is de Dienst Metro Amsterdam verantwoordelijk om de gemaakte wijzigingen (RWA, evacuatie, brandcompartimentering, ) voor te stellen aan de bevoegde brandweerdiensten en controlerende instanties. Specifiek voor het RWA-ontwerp wordt er momenteel op 2 moeilijkheden gebotst inzake verdediging van het ontwerp uit 2008: 1. Recente wijzigingen aan het ontwerp. a. Het verlaagd plafond (om plug-holing te vermijden) is weggelaten waardoor de extractie op 1 discreet punt voorzien is i.p.v. uniform verdeeld over de oppervlakte. b. De rookvakken zijn verschoven t.o.v. de oorspronkelijke berekeningen. 2. De brandweerdiensten hebben vragen/twijfels bij de betrouwbaarheid van het RWA-systeem. a. Hoe dient de goede werking van het RWA-systeem in de praktijk aangetoond te worden? b. Zijn de resultaten uit de CFD-simulaties voldoende betrouwbaar? Daarnaast gaf de commissie tunnelveiligheid een advies om een warme rookproef te organiseren. Oorspronkelijk werd gedacht op deze wijze de twijfels van de CFD weg te nemen, echter was het vanuit een praktisch oogpunt slechts haalbaar om een proef van 1.5 MW te organiseren (niet representatief voor de 20 MW brand uit het ontwerp). In overweging nemende dat de meerwaarde van deze kostelijke proeven beperkt waren om een antwoord te geven op vragen 2a en 2b, heeft metro Amsterdam voorgesteld om een alternatieve weg in te slaan. De goede werking van het RWA-concept, inclusief de recente wijzigingen, en de betrouwbaarheid van de CFD-simulaties zullen worden getoetst door een volledig onafhankelijke partij. 1.4 Doelstelling van Metro Amsterdam Metro Amsterdam wenst een onafhankelijke partij in te schakelen die: A. Één metrostation volledig opnieuw doorrekent, met eigen aannames (bvb. verbrandingswaarde en rekenrooster) en dezelfde randvoorwaardes (bvb. brandvermogencurve en geometrie) als de oorspronkelijke studie, en met inbegrip van de recente aanpassingen aan het concept (discrete extractiepunten). De resultaten worden gerapporteerd en gepresenteerd aan het opdrachtgevend bestuur. B. De resultaten vergelijkt met de resultaten van de studie van Arcadis en eventuele verschillen aan de hand van 3 werkvergaderingen analyseren. C. Een definitief rapport schrijft die een uitspraak maakt over de goede werking van het RWA-systeem.

5 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 5/46 : CS (versie2.0) 1.5 Beperkende lijst documenten Deze studie en analyse wordt uitgevoerd op basis van volgende beperkende lijst documenten, bekend bij de aanvang van de studie (chronologisch weergegeven): Documentnaam Van datum Uitgangspunten toetsing zelfredzaamheid stations Dienst Metro Amsterdam 08/10/ ALIVE Amsterdam Leidraad Integrale Veiligheid Dienst Metro Amsterdam 08/10/2013 Rapportage Toetsing Metro Oostlijn CS v5.0 definitief Dienst Metro Amsterdam 14/11/2013 Uitgangspunten CFD berekeningen Onno Jörg Arcadis - van Roel Favier 14/10/ CS Dienst Metro Amsterdam 15/10/ CS Dienst Metro Amsterdam 15/10/2013 Tekeningen van de tunneldelen (gehele tunnel) Dienst Metro Amsterdam 18/10/ D-VO+_plafonds_perrons_OG-CONCEPT Dienst Metro Amsterdam 21/10/2013 Schakelmatrix RWA-installatie Arcadis - van Roel Favier 31/10/2013

6 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 6/46 : CS (versie2.0) 2. KARAKTERISTIEKEN VAN CENTRAAL STATION & METRO 2.1. Station Centraal Centraal station is het eerste station in de Oost-lijn die loopt vanaf het Centraal Station naar Gein. Figuur 1: voorstelling Oostlijn De openbare toegangswegen van Noord hal naar de lagere hal (niveau -1) van het station bestaat uit 4 trappen en 1 lift. De hoogte bedraagt 2.7 m.

7 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 7/46 : CS (versie2.0) Figuur 2: voorstelling tussenhal (Noord) Centraal station En van Zuid hal naar de lagere hal (niveau -1) van het station bestaat uit 5 trappen. De hoogte bedraagt 2.6 m.

8 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 8/46 : CS (versie2.0) Figuur 3: voorstelling tussenhal (Zuid) Centraal station De platforms bevinden zich op niveau -2 in het midden van het station Centraal. De lengte van het perron is ongeveer 150 m en de breedte is ongeveer 19 m (10 m). De hoogte bedraagt 3.4 m. Er is enn nooduitgang aan het eind van deze platformen die direct naar buiten leiden. Dit is hier niet weergegeven. Figuur 4: Perron Centraal station 2.2. 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

9 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 9/46 : CS (versie2.0) - Breedte: 3 m - Hoogte: 3.5 m 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 5). - 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. Brandvermogen (MW) Tijd (minuten) Figuur 5: Opgelegde brandvermogencurve tot 20MW voor M2- BOM rapport

10 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 10/46 3. KARAKTERISTIEKEN VAN HET RWA-SYSTEEM 3.1. Principe van het RWA-systeem (Rook- en Warmte Afvoer) Het platform is onderverdeeld in 5 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 op de platform (zie Figuur 6 voor principe en 3.3 voor technische realisatie). Elk afzuigpunt zorgt voor een extractiedebiet van 20 m 3 / s. Verder aan het einde van het station in de tunnelsectie een extractie punt geweest naar de zuidkant. Deze extractiepunt in het zuiden van het platform heeft een extractiedebiet van 10 m 3 /s. Deze extractiepunt word 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 (zie bijlage 2) o De noordkant is in geval van brand afgesloten met de help van de deuren o Wordt het station aërolisch gescheiden van de tunnel door de massieve extractie na het station. Figuur 6: RWA-concept 3.2. Karakteristieken van de huidig voorziene openingen voor verse lucht Naturlijke luchttoevoer is voorzien via de trappen aan beide zijden (in groen aangeduid op Figuur 6). De trappen Noord en Zuid verbinden de twee ondergrondse niveaus. Er zijn 4 trappen in de noorden hal en 5 in de zuiden hal (zie Figuur 2 & 3). De afmetingen van de opening staan in de onderstaande tabel. Verder is er eveneens een mogelijke luchttoevoer via de tunnelkoker. Toevoer Afmeting breedte [m] hoogte [m] gebied [m 2 ] perimeter [m]

11 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 11/ * Table 1: Afmetingen van openen 3.3. 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 van platform: kanaalwerk boven platform (rode aanduiding op schema) diffusorplaten (rode aanduiding op schema) Rookgordijnen 1 tem 6 (groene aanduiding op schema) Figuur 7: RWA-systeem Ingave in CFD-analyse In de CFD-analyse wordt volgend extractiedebiet in elk RWA-vak verondersteld: Sectie 1: 20 m³/s o via massief extractiepunt P2 Sectie 2: 20 m³/s o 10 m³/s afkomstig via P2 a o 10 m³/s afkomstig via P2 b Sectie 3: 20 m³/s o 10 m³/s afkomstig via P3 a o 10 m³/s afkomstig via P3 b Sectie 4: 20 m³/s o via massief extractiepunt P4

12 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 12/46 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 hoe de debieten worden verdeeld en of dit overeenkomt met de aannames uit het ontwerp.

13 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 13/46 4. BESCHRIJVING VAN DE SCENARIO S 4.1. Brandlocatie 1: uiteinde platform Bij een brand in het eerste treincompartiment, waarbij de rook eerst in secties 1 zal stromen: - Bij rookdetectie 1 (na 60 seconden, zie sensitiviteitsstudie CFD) [2]: i. wordt de extractie in het station opgestart op 100% ii. totaal extractiedebiet van 80 m 3 /s op het platform 1. 1-CS-RWA-1-VE01 (20 m 3 /s) 2. 1-CS-RWA-2-VE01 (20 m 3 /s) 3. 1-CS-RWA-3-VE01 (20 m 3 /s) 4. 1-CS-RWA-4-VE01 (20 m 3 /s) iii. De massieve extractie net op de rand van platform en tunnel worden opgestart op 50% 1. Zuid-zijde: totaal extractiedebiet van 10 m 3 /s a. 1-CS-RWA-Z-STUW-VE01 (10 m 3 /s) b. 1-CS-RWA-Z-STUW-VE02 (0 m 3 /s) iv. De massieve extractie in het midden van de tunnelsecties Zuid worden opgestart op 100% 1. Zuid-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) - Bij lineaire detectie (aanname na 150 seconden [2]): i. alle rookschermen dalen tot op 2,2 m boven de vloer. Dit is een kritisch scenario aangezien de brandhaard zich bevindt de secties 1 en de thermiek dus sterker zal zijn richting trappen Noord. Figuur 8: Brandlocatie 1: brand aan uiteinde van het platform 1 In de studie [4] van Arcadis werd aangenomen na 30 seconden. Echter heeft FESG reeds in de CFD-analyse [10] & [11] van WPP aangetoond dat dit beter mee gemodelleerd wordt in CFD.

14 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 14/ Brandlocatie 2: centraal op platform Bij een brand in het middelste treincompartiment, waarbij de rook eerst in sectie 3 en 4 zal stromen, wordt dezelfde sequentie gevolgd als in 4.1. Figuur 9: Brandlocatie 2: brand centraal op platform

15 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 15/46 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 Belangrijke aannames CFD-studie ARCADIS [4] ARCADIS veronderstelt dat de Noord en Zuid zijde gesloten zijn en dat de stroming veroorzaakt door verschillen in drukverliezen te verwaarlozen zijn. Verdere aannames betreffende het metrostel: Quantity Metro M2 Soot yield g/g CO yield NA Convectieve 65% Straling 35% Start Brand 0seconden=start brand = metrovoertuig op station naast perron Rookdetectie 30 seconden Warmtedetectie 120 seconden RWA ventilatie 0seconden= 0% nominaal vermogen 30seconden=50%nominaal vermogen 120seconden=100%nominaal vermogen Openen van deuren alle rijtuigen aan perronzijde: 6 deuren per rijtuig (alle deuren op het perron zijn open op tijdstip 0) Openen van ramen 12 ramen openen op 0 seconden aan beide zijden van het brandend rijtuig. RWA schakelmatrix Oude versie (2008) Tabel 2: Veronderstellingen door ARCADIS

16 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 16/ Aannames door FESG In versie 1 van het rapport voor Weesperplein (december 2013) werden veel van de veronderstellingen in deze studie overgenomen uit de ontwerpdocumenten (vb. oude RWAmatrix uit 2008), teneinde de resultaten te kunnen vergelijken. Uiteindelijk is er in 2010 een nieuwe RWA-matrix voorgesteld, en is er in 2014 een optimalisatie plaatsgevonden, door middel van de 1D-analyse van FESG [5]. 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 Centraal station. 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 [6]. De bekomen verdeling van stroming over het aërolisch netwerk is terug te vinden in het rapport [5] (zie ook Bijlage 4) Activatie van RWA Uit de sensitiviteitstudie [2] wordt duidelijk dat rookdetectie plaatsvindt na 50s i.p.v. 30s, welke was aangenomen door ARCADIS [4]. 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 de sensitiviteitstudie [2] 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

17 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 17/46 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 Centraal station heeft 9 ingangen (4 aan noord-hal en 5 aan zuid-hal) van maaiveld naar niveau -1 (zie Figuur 2 & 3). Afhankelijk van de windrichting, kan de gecreëerde hoofdstroming op niveau -1 een effect hebben op het RWA-systeem. In een vorig rapport toonde FESG in eerste instantie aan welk effect een mogelijke windinvloed zou kunnen hebben op de performantie van het RWA-systeem. Er werd aangeraden om de windinvloed experimenteel op te meten. In dit kader werden snelheidsmetingen uitgevoerd door PEUTZ voor 2 aparte windcondities [7]. Aan de hand van deze metingen werd, in een 1D model, het potentieel effect van deze windinvloed op de efficiëntie van het RWA-systeem aangetoond door de gemiddelde volumedebieten ter hoogte van het platform en ter hoogte van de Noord en Zuidtunnelsectie van het Centraal station te berekenen. Deze randvoorwaarden worden opgelegd in het CFD-model in de sensitiviteitstudie [2] 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 (zie Table 3). HRR [MW] Soot [g/g] CO [g/g] Verbrandingswaarde [kj/kg] Scenario ,000 Scenario ,000 Table 3: Karakteristieken van brand

18 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 18/46 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 de 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 gebouw waarbinnen de simulatie zal gebeuren. Hierbij wordt het virtueel 3D-model 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 RWA-installatie 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 evolutie en de ruimtelijke distributie van de temperatuur, de luchtsnelheden en 2 Voor uitgebreide informatie over de werking en modellen zie:

19 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 19/46 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 3Dmodel, 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 bruin (op p.25 en 26) o De RWA schacht wordt in het rood weergegeven o De werkende extractiepunten zijn in het groen aangeduid en verduidelijkt op figuur 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.

20 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 20/46 Figuur 10: Geometrie Centraal station Figuur 11: Geometrie van Hal (Noord en Zuid) Figuur 12: 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.

21 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 21/46 De keuze van de celgrootte 4 is afhankelijk van de karakteristieke diameter die wordt gegeven door de volgende relatie. HRR Grofmazig Medium Fijn [D*/4] [D*/10] [D*/16] 20 MW 0.8 m 0.32 m 0.2 m Table 4: keuze van de grid grootte Hieronder vindt u een overzicht van de gebruikte rekencellen tijdens de verschillende berekeningen Brandmodel Scenario Celgrootte voor platform [m] celgrootte voor hal [m] Scenario Scenario Table 5: Rekencellen 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 14). 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 ventilatiegecontroleerd blijft. Figuur 13: Brandvoortplanting in M2 4 Daar waar de karakteristieke diameter slechts een eerste inschatting is van het rekenrooster, heeft FESG interne validatiestudies [9] gedaan die de verantwoording van de gemaakte aannames onderbouwen.

22 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 22/ HRR [kw] Tijd [s] Actual HRR S1 S2 S3 S4 Figuur 14: Opgelegde brandvermogencurve van een M2-stel in het CFD-pakket 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 (in geel op Figuur 11). Toevoer Afmeting breedte [m] hoogte [m] gebied [m 2 ] perimeter [m] * Table 6: 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, zoals beschreven in figuur Daarbovenop wordt een extra extractiepunt voorzien in ten zuiden van het station met een extractiedebiet van 10 m³/s.

23 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 23/46 3. Daarbovenop wordt een extra extractiepunt voorzien in het midden van de tunnel ten zuiden van het station met extractiedebiet van 40 m³/s. P1 P2 P3 P4 20 m 3 /s 10 m 3 /s 10 m 3 /s 10 m 3 /s 10 m 3 /s 20 m 3 /s Figuur 15: Modellering van extractie in CFD Daar waar 1 rechtstreeks opgenomen werd in het model, werd het effect van 2 en 3 in rekening gebracht in een 1D-model en werden randvoorwaarden opgelegd in het CFD-model afhankelijk van de bekomen waarden uit het 1D-model (zie bijlage 3). De resultaten van 1D studie worden hieronder beschreven: Tijdstip / Luchthoeveelheid [m 3 /s] voor extractie zuid achter extractie zuid 30s s s s s s Table 7: Verdeling van de luchtvolumes -Centraal station Deze tijdsafhankelijke randvoorwaarden zijn in dit rapport opgelegd zonder windinvloeden te bekijken. We verwijzen naar de sensitiviteitsstudie [2] voor de windinvloed.

24 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 24/46 Figuur 16: Schema voor de verdeling van de luchtvolumes - Centraal station 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 12.3% voor M2. Dit betekent dat op elk moment een hoeveelheid roet wordt vrijgegeven dat gelijk is aan 12.3% 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 of 0.1; zie eerder).

25 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 25/ Resultaten van het model In dit hoofdstuk vindt u de beschrijving van de bekeken scenario s en de conclusies gebaseerd op de resultaten in termen van rookverspreiding, temperatuur en zichtbaarheid. Voor de representatie van de resultaten verwijzen we naar bijlages 5 t.e.m Scenario 1: metrostel M2 met brandlocatie 1 (uiteinde) Brandscenario 1 is een brandend metrostel type M2 (Figuur 17). De brandhaard is in het bruin aangeduid. Figuur 17: 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 4 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). Section Zicht Temperatuur Benodigde ontruimingstijd (ARCADIS) Noord Hal trap s RWA sectie 1 (brand) s RWA sectie s RWA sectie s RWA sectie s RWA sectie s Zuid Hal trap s Tabel 8: Resultaten van Brandscenario 1 (M2 uiteinde) Algemene conclusie: het tussenverdiep (niveau -1) dat verbonden is met de noordelijke trappen noord is gevuld met rook na 9 minuten. De zuidelijke trappen (verbonden met niveau -2) blijft rookvrij gedurende de eerste 15 minuten. Het temperatuurscriterium en het zichtbaarheidscriterium zijn in bovenstaande tabel weergegeven.

26 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 26/ Scenario 2: metrostel M2 met brandlocatie 2 (centraal) Brandscenario 2 is een brandend metrostel type M2 (Figuur 18). De brandhaard is in het bruin aangeduid. Figuur 18: CFD model scenario 2 (M2 centraal) De doelstelling van deze CFD-analyse is om te bepalen tot wanneer de performantiecriteria voor aanvaardbare evacuatiecondities worden behouden voor een brand centraal op het perron (brandlocatie 2). Zoals eerder vermeld, is brandlocatie 2 een ontwikkelende brand, startend in het metrostel aan het midden van het perron. In dit metrostel start de brand in het midden, verwijderd van de trappen. Het RWA-scenario is gebaseerd op de matrix in bijlage 2: concreet gezien wordt de extractie opgezet in de 4 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). Section Zicht Temperatuur Benodigde ontruimingstijd (ARCADIS) Noord Hal trap s RWA sectie s RWA sectie s RWA sectie 3(brand) s RWA sectie 4(brand) s RWA sectie s Zuid Hal trap s Table 9: Resultaten van Brandscenario 2 (M2 centraal) Algemene conclusie: het tussenverdiep (niveau -1) dat de noordelijke trappen verbindt en de zuidelijke trappen (niveau -2) blijft rookvrij gedurende de eerste 15 minuten. Het temperatuurscriterium en het zichtbaarheidscriterium zijn in bovenstaande tabel weergegeven.

27 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 27/46 7. ALGEMENE CONCLUSIE 7.1 Conclusie uit hoofdrapport FESG werd gecontacteerd om voor het Centraal 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 [6] en [5]). Door middel van een CFD-analyse werden de gevolgen van een metrobrand op 2 kritische locaties bepaald. De scenario s representeerden een brand in een oud (M2-metro) stel zowel in het midden als 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). Waar de ASET<RSET (aangeduid in het rood in de tabellen), wordt voorgesteld om de evacuatie-analyse opnieuw te doen, met de aanname dat vanaf dat het criterium overschreden is, de uitgang niet meer beschikbaar is. 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: - 9 minuten na het ontstaan van de brand. De resultaten tonen aan dat voor een brandende metro in het centraal gedeelte, er gedurende de eerste 15 minuten geen rookverspreiding is naar het niveau -1. Er kan worden geconcludeerd dat de werking van het RWA-systeem in het station Centraal gedeeltelijk de performantiecriteria behaalt. Er wordt voorgesteld om de evacuatieanalyse uit te voeren, rekening houdende met het niet beschikbare zijn van de uitgangen na een zekere tijd. FESG stelt voor om bij interventie steeds de Zuidelijke trap te gebruiken omdat daar geen rookverspreiding is waargenomen in de CFD analyse.

28 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 28/ Conclusie uit sensitiviteitsstudie (afzonderlijk rapport) Gebaseerd op de resultaten uit dit rapport kunnen volgende conclusies worden genomen: - De detectie kan later optreden dan aangenomen in het hoofdrapport, waardoor er een verhoogd risico is op rookverspreiding, waar rekening mee dient gehouden te worden. o Rookdetectie na 60 sec. o Lineaire warmtedetectie ergens tussen 75 sec en 180 sec in plaats van 150 sec. - Uit de resultaten wordt vastgesteld dat het effect van wind de prestaties van het RWA-systeem negatief beïnvloeden. o Onder de gemeten windinvloed kan een sterke stroming van noord naar zuid worden waargenomen. o Voor een scenario aan het uiteinde van het platform Noord, is dit een slechte situatie. o Voor een scenario aan het uiteinde van het platform Zuid is dit een slechte configuratie. o Daarom wordt er voorgesteld om een evacuatie-analyse uit te voeren in verminderde condities, rekening houdende met het niet beschikbare zijn van de uitgangen na een zekere tijd. - Er dient opgemerkt te worden dat er mogelijks rookverspreiding kan ontstaan naar het Nieuwmarkt station; Echter is dit niet bestudeerd in deze studie. Volgende aanbevelingen worden gemaakt: - De activatietijden voor de rookschermen en extractiepunten dienen niet enkel afhankelijk te zijn van de detectietijd van het lineair detectiesysteem. o Er wordt aanbevolen om beide voormelde zaken na een maximale tijdslimiet van 90 seconden na de rookdetectie te activeren. - De beschouwde winddruk in de sensitiviteitsstudie is niet echt conservatief. o Er wordt aanbevolen om na te gaan of er bijkomende maatregelen kunnen worden getroffen om de windinvloed te beperken. o Het effect van de locatie van de extractiepunten naast de luchttoevoerpunten van de trappen dient ofwel te worden vermeden ofwel te worden meegenomen in de studie indien de waarschijnlijkheid van een dergelijke wind als realistisch wordt beschouwd.

29 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 29/46 REFERENCES [1] PEUTZ, I. D. d. Boer en I. J. Mertens, Branonderzoek metro; eindrapportage. [2] FESG, Metrostation Centraal sensitiviteitsstudie v2.0, 31 March [3] D. I. V. e. V. (DIVV), Amsterdamse Leidraad Integrale Veiligheid ondergrondse tramen metrosystemen (ALIVe), June [4] ARCADIS, TOETSING ZELFREDZAAMHEID CENTRAAL STATION AMSTERDAM METRO OOSTLIJN - TUNNELVEILIGHEID v5.0, [5] FESG, Optimalisatie-studie RWA-systeem Oostlijn metro Amsterdam V2.0, 20 March [6] FESG, Aannames voor 1D-analyse Oostlijn metro Amsterdam v1.0, 28 February [7] PEUTZ, Orienterend onderzoek wind en temperatuur gedreven stromingen Rapportnummer V RA, 24 februari [8] A. Ahmad en FESG, Validation & sensitivty analysis for Memomial Tunnel Tests using CFD (FDS 5.0), August [9] FESG, Metrostation Weesperplein sensitiviteitsstudie v2.0, 31 March [10] FESG, CFD-analyse van het RWA-systeem voor Weesperplein metrostation v2.0, 31 March 2014.

30 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 30/46 BIJLAGE 1 METRO M2

31 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 31/46 BIJLAGE 2 RWA SCHAKELMATRIX Figuur 19: FESG voorgestelde RWA Schakelmatrix

32 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 32/46 Figuur 20: RWA Schakelmatrix bij ARCADIS

33 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 33/46 BIJLAGE 3 OVERZICHT RESULTATEN UIT 1D BEREKENING [6] [5] 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 (X 123 thv Centraal Station betekent opening 1, 2, 3 en 4 aan de Noordzijde Centraal Station); 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. CS NMT WLP WPP WBS X 1234 X 11 X 12 X 3 X 12 X 34 X X 12 X 34 Y 1CS-Z Y 2NMT-N Y 2NMT-Z Y 2TUN Y 3WLP-Z Y 4WPP-N Y 4WPP-Z Y 5WBSN Y 5WBS-Z E_P (80 m 3 /s) E_P (100 m 3 /s) E_P (90 m 3 /s) E_P (80 m 3 /s) E_P (100 m 3 /s) E_S (10 m 3 /s) E_S (40 m 3 /s) E_S (40 m 3 /s) E_S (30 m 3 /s) E_S (40 m 3 /s) E_S (40 m 3 /s) E_S (40 m 3 /s) E_S (40 m 3 /s) E_T1 (40 m 3 /s) E_T2 (40 m 3 /s) E_T3 (40 m 3 /s) E_T4 (40 m 3 /s) E_T5 (40 m 3 /s) X : opening through stairs Y : Pressure relief shafts E_P : Platform extraction E_S : Extraction at the end of station E_T : Tunnel extraction Figuur 21: configuratie voor Centraal station

34 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 34/46 Figuur 22: Luchthoeveelheid in de tunnel Centraal station geen wind

35 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 35/46 BIJLAGE 4 RESULTATEN: SCENARIO 1 - M2 - BRAND UITEINDE [s] Smoke Spread Temperature [ 0 C]

36 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 36/

37 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 37/

38 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 38/46 [s] Optical density [m -1 ] Visibility [m]

39 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 39/

40 FESG Project : CFD metro Amsterdam Centraal 40/

41 FESG Project : CFD metro Amsterdam 41/46 : (versie1.1) BIJLAGE 5 RESULTATEN: SCENARIO 2- M2 - BRAND MIDDEN [s] Smoke Spread Temperature [ 0 C]

42 FESG Project : CFD metro Amsterdam 42/46 : (versie1.1)

43 FESG Project : CFD metro Amsterdam 43/46 : (versie1.1)

44 FESG Project : CFD metro Amsterdam 44/46 : (versie1.1) [s] Optical density [m -1 ] Visibility [m]

45 FESG Project : CFD metro Amsterdam 45/46 : (versie1.1)

46 FESG Project : CFD metro Amsterdam 46/46 : (versie1.1)