TNO-rapport 200lJ..CVB-ROO012 Ontwerp ondergrondse ruimten: invloed rookverspreiding op keuze locatie uitgangen TNO Bouw Contactpersoon E.W.Janse centrum voor BrandveIligheid Lange Kleiweg 5, Rijswijk Postbus 49 2600 AA Delft Datum 25 februari 2000 Auteur(s) Ir. E.W. Janse -P-~~-C~-B Telefoon 015284 20 00 Fax 0152843990 Opdrachtgever : Min. VROM Postbus 30941 2500GX DEN I Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd enlof openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verpfichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO. dan we! de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst Het ter inzage geven van het TNO rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan. Projectnaam Projectnummer Aantal pagina's Aantal tabellen Aantal figuren Aantal bijlagen : doel subsidie vluchten 199 : 006.90386 Steunpunt 12 2000 natuurwetenschappelijk onderzoek TNO TNO Bouw verricht onderzoek en geeft advies over bouwvraagstukken, voornamelijk in opdracht van onder meer de overheid. grote en kleine ondernemingen in de bouw. toeleveringsbedrijven en branche-inslellingen. Op opdrachlen aan TNO zijn van toepassing de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO. zoals gedeponeerd bij da Arrondissemantsrachlbank en de Kamer van Koophandel te 's Gravenhage.
211&1112 Inhoud 1 Inleiding 3 2 Achtergronden model en uitgangspunt.enberekeningen 4 2.1 Achtergronden 4 2.2 Uitgangspunten ;.............. 5 3 4 Resultaten.... '.'................... 7 3.1 Rookversw-eidin.gbijde gekozen basisscenario's.....7 3.2 Stratifica.tieóf opmenging 10 ConcluSie... 11 Referenties 12
TN0-rapport 200ll-CVB-ROOO12 3 van 12 1 Inleiding De looprichting bij het verlaten van ondergrondse ruimten zal vaak omhoog zijn, hetgeen afwijkt van traditionele gebouwen. Als voorbeeld kan gelden een metrostation, waar uitgangen van een aaneengesloten ruimte vaak op begane grond niveau zijn gesitueerd, terwijl de aanwezigen in hoofdzaak verblijven op het ondergronds niveau. De vluchtrichting in ondergrondse ruimten is daarmee vaak, afwijkend van de situatie bij traditionele gebouwen, gelijk aan de richting van derookverspreiding bij brand. Hierinschuiltpottntieeleen gevaar. Voorbeelden van de rookverspreiding zijn kwantitatief uitgewerkt als ook de invloed op het vluchten op diverse hoogteniveau' s in die ruimte. Bij. het. ontwerp van ondergrondse ruimtes kan.narnelijk rekening gehouden worden met dit potentieel gevaar: dit is te voorkomen door de uitgangen van de ruimte ook onder in de ruimte te situeren in plaats van bovenin. Dit zal in voorkomende gevallenkwmen leiden tot meer bouwkosten,.omdat een extra brandwerende scheiding geplaatst wordt. soms echter zal het uitsluitend om verplaatsing van de brandwerende scheiding gaan. Voorbeelden zijn uitgewerkt met een 2-zone model voor de rookverspreiding (een rookbuffer met daaronder een rookvrije laag), aangeduid als het vultijden-model [Oerle,96]. In dit rapport is niet ingegaan op het belangrijke effect van de onwil om 'de rook in' te vluchten. Naast het zicht door de rook speelt ook de aanwezigheid van irriterende gassen daarbij wel een rol [Janse,2(00).
TNO-rapport 200Cl-CVB-ROOO12 4 van 12 2 Achtergronden model en uitgangspunten berekeningen De uitgevoerde berekeningen hebben een illustratief doel. De uitgangspunten zijn het resultaat van naar ons inzicht redelijke inschattingen, zonder dat daar onderbouwing voor is gezocht. Eerst wordt ingegaan op het 2-zone model en de criteria voor veilig vluchten. 2.1 Achtergronden Ookbij de keuze voor hetmodelgeldt hetillnsttatievedoel van de berekeningen, voordeontwerpkeuzesbijdebouwvanondergtófidsetuimten: het is niet uitgesloten dat meer geavanceerde modellen voor somm:ige sitnaties geschikter zijn. Bijvoorbeeld een metrostation met brand opperronniveau kan alleen zinvol beschouwd worden met een 2"zone módel onder de veröooëtstellin.g dat rook zich niet deels verspreidt door de tunnelbtlizen,vanafhet moment darde onderkant van de rooklaag lagerk:omtdalldebovenkant vanille tunnelbuizen.. Zeker bij mechanische ventilatie in die tonnelbuizen zijn andere modeileri(bijvöörbeeldcfd) in beginsel geschikter..we geven nu watachtergtondenbij hetvultijden-model. Bijbel Centrum voor Brandveiligheid zijn de bestaande modellen voor rookverspreidingbijbrand in kleine gebouwen [Mieno.941JlÎtgeoonwd voor beoordeling vangrote~mpartimenten(tot 15000m2oppervlákte, tot 50 m hoog) op de mogelijkheid van een veilige ontruiming. HetCentmm voor Brandveiligheid heeft het vultijden-model vastgelegd in de vorm van een richtlijn [Janse,961,[Oerle,96], tenbeboeve van het Ministerie van VROM. Inde toelièhting op [BouwbesluitFase2] wordt verwezen naar het wltijden-model als vastgelegd door TNO [Janse,96},[Oede,96] enprcbouwcentrum[graaf,971voor de beoordeling van grote brandcompartimenten op een veilige ontruiming (net als de verwijzing naar [Cieraad,95] voor de "Beheersbaarheid van Brand" in grote brandcompartimenten. In grote brandcompartimenten zullen de vluchtafstanden vaak groot zijn, terwijl daanneegeen sprake hoeft te zijn van een onveilige situatie. Dit 1S namelijk ook afhankelijk van het brandcompartiment: naarmate het brandcompartiment groter is, wordt ook de vultijd met rook en warmte groter. In aanvulling op de bestaande modellen voor rookverspreiding [MierIo,94], in de regel gebruikt voor stationaire situaties, wordt rekening gehouden met: e het vullen van de ruimte met rook is een instatienair proces; lil als stratificatie in een warme rooklaag boven een koude laag schone lucht niet gegarandeerd kan worden (lage rookgastemperatuur) dan wordt ook volledige opmenging beschouwd; e afkoeling aan wanden/plafonds wordt in rekening gebracht;
TN0-rapport 20Cl0-CVB-ROOO12 5 van 12 het brandoppervlak groeit (langzaam, matig, snel of ultra-snel) kwadratisch in de tijd totdat (indien van toepassing) een sprinklerinstallatie de groei stopt en het vermogen halveert (50 % afkoeling aan het sprinklerwater), en groeisnelheid en vermogen van de brand worden vastgesteld aan de hand van: 1. vuurbelasting in een ruimte; 2. hoogte boven de vloer waaronder zich brandbare goederen bevinden; 3. aard van goederen en verpakkingen; 4. ventilatie, en 5. productiefunctie (voor industriegebouwea) [Oerle,96]. Het vluchten over een route kan niet meer veilig gebeuren als bepaalde criteria worden overschreden, tengevolge van de rookverspreiding of door blokkade van een uitgang door warmtestraling afkomstig van de brand. Door de beschikbare tijd te berekenen met het vultijden-model en te vergelijken met de ontruimingstijd kunnen grote brandcompartimenten beoordeeld worden m.b.t, de mogelijkheden veilig te vluchten. De criteria die gehanteerd worden voor de mogelijkheid (nog) veilig te kunnen vluchten, zijn [Janse,96]: 1. geen hinder door warmtestraling. gemiddelde temperatuur rooklaag < 200 oe, en 2. voldoende zicht: a) zichtlengte door rook> 30 m voor lichtgevende voorwerpen, of b) een rookvrije laag > 2,5 mboven vloerniveau waar zich de vluchtenden bevinden Na het overschrijden van één van deze twee criteria wordt verondersteld dat men nog 30 s kan vluchten, daarna niet meer. Opmerking: bij een rookvrije laag kleiner dan 2,5 m hoogte maar toch voldoende zicht door de rook, zal aan het temperstuurscriterium automatisch voldaan zijn. Zoals in de achtergrondrapportages van het vultijdenmodel vermeld staat, vormen de in het model gebruikte getallen het best denkbare standpunt naar ons inzicht. Definitieve getallen moeten worden vastgesteld aan de hand van toetsing van het model aan de gekende bouwpraktijk en veiligheid [Janse,96], [Oerle,96]. De berekeningen met het vultijdenmodel die in het voorliggende rapport worden gepresenteerd, moeten in dat licht worden beschouwd: het gaat om illustraties en het signaleren van trends. 2.2 Uitgangspunten Twee ruimten met verschillende groottes zijn beschouwd. Uitgegaan is van een ruimte van 7 m hoogte en oppervlakte 1500 m 2, of 7500 m 2
TNO-rapport 2000-CVB RQOO12 6 van 12 Voordethermischeeigenschappenisuitgegalinvan een b-factor gelijk aan 1000 (typischewaardevqor lichtbeton), Bijdebrandisgekozenvoofeenttmimalebrandomvang van bijvoorbeeld een kiosk, opdeonderstevloer"anderuimte'rt1efeentopvermogen van 5 MW. De brandgroei isin 3 vanantejlbescnouwd: snel, matig en langzaam. Het vermogen per vl6eroppêfylakte i80.5 NfWIi.rl. Berekendwordtderookverspreidinginde.Qfldergrondse ruimte die het gevolg van de brand is, in de eerste 10minuten na start YaI'lde brand groei. B~ve~gent)emdescenari0'sw()fdengehaJlt~alsb~isscenario' s. Aan de band van d~.resul~n zijn nog.enk~l~ v~anten.qoa.gebouwyolume en vermogensdichtheid doorg~rekend (zie het volgende hoofdstuk),.
7 van 12 3 Resultaten 3.1 Rookverspreiding bij de gekozenbasisscenario's De 3 verschillende brandgroeisnelheden snel, matig en langzaam leiden per definitie tot een oppervlakte van 2 nl en een vermogen van! MW (op grond van de vermogen~lltheid), na: snel:jsos matig:300s Iangzam:n: 600 s. o e FtpUt:all.~ '0 De snelle brandgroei stopt conform de uitgangspunten bij 5 MW en 10m 2 na 6 minutep, terwijl };l)rtigen langzame groei na 10 minuten leiden tot een vermogen van respectievelijk4mwen lmw:het topvermogen wordt niet bereikt binnen de rekentijd van 10 minuten. De berekende temperatuur in de rooklaag is hier binnen 10 minuten nooit hoger dan 200 "Cea wordt dus niet van invloed geacht op. het vluchten. De zichtlengte die resulteert in een gegeven rookvolume is gekoppeld aan de rookproductie. Het rookvolume zal afhangen van de geometrie van het ontwerp en van het verschil of de rook stratificeert of niet. In geen van de gekozen situaties echter speelt de situatie van homogene opmenging een rol, blijkt uit de berekeningen.
a van 12 Voorde twee gekozen ontwerpen is een resultaat dat de zichtlengte in de rooklaag kleiner wordt dan 30 m na 4 min voor de langzame groei 2 min voor de matige groei 1 min voor de snelle groei omdat blijkbaar op dat moment het rookvolume nog niet sterk afhankelijk is van het gebouwontwerp{max. O,lmdikin de grote ruimte, en max. 0,5 m dik in de kleine ruimte). Tot deze tijd kan dus altijd veilig gevlucht worden. Bepalend voorde duur van een veilige ontvluchting is daarmee de rookvrije laag van 2,5 m boven de vloer waarop de vluchtenden ZÎchbevinden. Het spreekt voor zich dat daarmee de hoogteligging van de uitgang van groot belang is. Voorde grote ondergrondse ruimte is de vultijd voor alle brandgroeisnelheden groot: na 10 min is nog 5 m of meer rookvrij. Voor de kleine ondergrondse ruimte hangt de situatie na 10 minuten sterk af van het brandscenario. Beschouwen we eerst de situatie dataile vluchtwegen op de begane grond zijn gelegen. AUeenin de kleine ondergrondseruimte bij een snelle brandgroei is de rookvrije laag minder dan 10 IlÛnutengegarandeerd, te weten ruim 7 minuten. De veronderstelde tijd die beschikbaar is voor ontruiming, is daarmee ruim 7Vz minuut. Vervolgens beschouwen we de situatie met vluchtwegen op 3,5 m hoogte. Hier is de veilige tijd:
Svan 12
10 van 12 Of de situatie voldoende veilig is zal afhangen van de benodigde tijd voor ontruiming. inclusief: ontdekking van de rooklbrand tijd voordat het vluchten volledig op gang is doorstroomtijd van de uitgangen of looptijd binnen de ruimte. Duidelijk is echter dat de hoogteligging van de vluchtweg sterk bepalend kan zijn voor bet veiligheidsniveau. Zoals voorde hand ligt is de plaats van uitgangen bij degestratificeerde situatie bepalend Voor het bereikte ~iligheidsniveau. Bij de gekozen basisscenario s is uitsluitend sprake van stratificatie. Daarom zijn nog tientallen berekeningen uitgevoerdomte onderzoeken bij welke gebouwgeometrie stratificatie niet gegarandeerd kan worden. Alsd.at het geval is. dan moet conform het model zowel de situatie mèt als zonder stratificatie beschouwd worden~ De laatste wordt gemodelleerd als homogene opmenging van rook in de gehele ruimte. Het criterium als momenteel gehanteerd conform [Oerle.96] is dat de berekende rooktemperamur 5 graden hoger is dan de.omgevingstemperatuur. op het moment dat de rooklaag 2 m dik zoo zijn. Onderzocht is bij welke geometrie deze grens (5 oe bij 2 m dikke rooklaag) ligt. Daarbij is uitgegaan van a) matige brandgroei bij een vermogensdichtheid van 0.5 MW Im 2 b) langzamebrandgroei bij een vermogensdichtheid van 0.5 MW/m 2 c) langzame brandgroei bij een vermogensdichtheid van 0,2 MW/m 2 Deze scenario's volgen bijvoorbeeld uit klasse mof klasse I van het vultijdenmodel. Het teswtaat van de berekeningen is samengevat in de volgende tabel. Tabel 1. Kritische hoogte gebouw als functie van oppervlakteen homogene opmenging meegenomen moet worden. scenario, waarboven ook oppervlakte rmz] 1000 2000 5000 10000 zoooo sçenario a) 13 16 18 18 18 scenariob) 10 11 13 13 13 scenarioe) 8.. 9 9 10 10 Bijgebouwen lager dan deze bitischehoogte is stratificatie het enige te beschouwen scenario..voora1 bij het langzame scenario met lage vermogensdichtheid zal homogene opmenging vaak ook beschouwd moeten worden.
2000-cVB-ROOO12 11 van 12 4 Conclusie Vooral in ondergrondse ruimten is het plaatsen van uitgangen bovenin die ruimte een relevante entwerp-optie die het gevaar vergroot ten opzichte van de situatie met uitgangen onderin de ruimte: de rookverspreiding bij brand kan het vluchten hinderen. De verspreiding van rook en het resulterende zicht door de rook kan in beginsel worden berekend. Maar een ander belangrijke effect is de (on)wil om 'de rook in' te vluchten. Niet alleen het zicht door de rook zoals berekend met zo'n rookverspreidingsmodel,maar ook bijvoorbeeld de aanwezigheid van irriterende gassen is daarbij van belang: dit effect is niet meegenomen. Met eenbestaandmooel voor de rookverspreiding,het vultijden-model [Oerle,96], is voor een aantal situaties aangegeven wat de gevolgen zijn van de locatie van de uitgangen op de tijd die beschikbaar is voor vluchten. Met name in kleine ondergrondse ruimten is dit een kritisch aspect. In hoge ondergrondse ruimten (ter indicatie bijvoorbeeld bij licht beton en een oppervlakte van 1500m 2 : hoogten groter dan 7 m) kan de situatie met rook die niet stratifieeert, bepalend zijn voor de beschikbare vluchttijd. In die situatie is de hoogteligging van de vluchtweg minder van belang; in het 2-zone vultijden-model speelt de hoogteligging zelfs helemaal geen rol.
TNQ-rapport 2000-cVB-ROOO12 12 van 12 5 Referenties [Cieraad,95] Cieraad, ir. C.D.J.: "Brandbeveiligingsconcept "Beheersbaarheid van Brand" en "Reken-lbeslismodel "Beheersbaarheid van Brand" Ministerie van Binnenlandse Zaken, Sdu grafische projecten, Den Haag 1995 [Graaf,97] ir, drs. L. van der Graaf, ir, J.W. Pothuis: "Vluchten bij brand uit grote compartimenten; bepalingsmethode voor veilig vluchten" PRC Bouwcentrum, EG/JWPIIZ2717, Bodegraven, 26-2-'97. [Janse,96] ir, E.W. Janse, ir, N'J. van Oerle, ir. P.H.E. van de Leur "Richtlijn/achtergronden vluchtmethodiek grote brandcompartimenten" TNO rapport 96-CVB-R0330 (3-4), Delft, 1996. [Janse,20001 ir. E.W. Janse "Vluchten bij brand: kritische parameters en bechrijving fysische en toxische aspecten" TNO rapport 2000-CVB-ROOOI4,Delft, 2000. FBO-model Purser voor [Mierlo,94] Mierlo, R.l.M. van, Janse, E.W., Oerle, N.l. van "Rookafvoer uit hoge ruimten; ontwerpregelslrekenmethoden" SBR rapport 233, 2e druk, Stichting Bouwresearch, Rotterdam, 1994. [OerIe,96] ir, N.l. van Oerle, ir. E.W. Janse, ir. P.H.E. van de Leur "Richtlijn/achtergronden vultijdenmodel grote brandcompartimenten" TNO rapport 96-CVB-R0330 (1-2), Delft, 1996.