Artikel "Geautomatiseerde brand simulatie en rekenmodellen"
Laatst aangepast op : 2009-04-09 20:23:38
Het vakgebied brandpreventie wordt met de jaren steeds geavanceerder en meer geautomatiseerd. Waar vroeger vijf meter afstand als 60 minuten WBDBO werd geaccepteerd, wordt nu om een brandoverslag berekening gevraagd. Er zijn de laatste 15 jaar dan ook talloze reken en simulatieprogramma's ontwikkeld die op allerhande reken-methodieken en NEN normen zijn gebaseerd. Enkele van deze reken-methodieken worden in dit artikel besproken.
Brandoverslag
In 1996 is de NEN 6068 geïntroduceerd. Dit was het einde van veilige afstand op basis van de mening van de adviseur of de brandweercommandant. De NEN 6068 bracht echter ingewikkelde berekeningen met zich mee die voor de meeste stervelingen niet met de hand uit te voeren zijn. Voor het uitvoeren van deze berekeningen zijn er enkele software pakketten ontwikkeld zoals Brando, Brando2, Pintegraal, Winfire en NPR6091. Op dit moment worden Brando2 en Pintegraal het meest gebruikt. Brando2 is ontwikkeld door Bris in samenwerking met Knowmax, Bink software, Suite 75 en LBP. Pintegraal is ontwikkeld door Peutz.
Brando2 maakt gebruik van een soort van webinterface, waarbij een database component de projecten ordent en via een op grafische gebruikersinterface de invoer en visualisatie van de geometrie zorgt.
De invoer is in principe vrij simpel en vanzelfsprekend, maar zeker niet altijd even handig. Zoals vaker geconstateerd wordt bij zeer specifieke software, is het niet zo “af” en gepolijst als generieke software. Een voorbeeld hiervan zijn de foutmeldingen die optreden bij de berekeningen waarbij je moet “spelen” met de invoer tot de berekening wel draait zonder foutmelding. Bris is wel bezig met verbetering van het pakket Brando2 getuige de recent uitgebrachte update.
Pintegraal is in 2004 door Peutz op de markt gebracht. Pintegraal word in een standaard en een professional verkocht, waarbij de standaard versie de beperking heeft van maximaal 10 brandruimten. De invoer van Pintegraal is volledig grafisch en speciale elementen zoals overstekken, balkons, atria, wintertuinen, industriefuncties en subbrandruimten kunnen worden berekend.
Recent is ook de NPR 6091 nieuw leven in geblazen. De oude NPR norm waarbij je met tabellen de kans op brandoverslag kon inschatten, is nu vervangen door een programma van DGMR. Deze norm bevindt zich ten tijde van schrijven van dit artikel nog in het stadium van ontwerpnorm. Wellicht dat deze in de toekomst een grotere rol gaat spelen in brandoverslag.
Ontruiming
Ook voor virtuele ontruimingen zijn diverse software pakketten ontwikkeld. Deze simulaties worden toegepast waar handmatige berekeningen niet meer toereikend of mogelijk zijn. Tevens kan een vluchtsimulatie gebruikt worden ter onderbouwing van een gelijkwaardige oplossing in het geval er niet voldaan kan worden aan het bouwbesluit.
Simulatieberekeningen zijn veelal gebaseerd op vrij simpele algoritmen, waarbij de aspecten van loopsnelheid, bezettingsgraad en loopafstand in meegenomen worden. Enkele voorbeelden van simulatie programma's voor ontruimingen zijn Simulex, Building EXODUS en FDS/Evac.
In Nederland wordt Simulex het meest toegepast. Zowel Simulex als Building Exodus maken gebruik van plattegronden, welke geïmporteerd worden uit cad bestanden van het DXF formaat. FDS/Evac maakt gebruik van de FDS tekstuele invoer die ook voor de CFD simulatie word gebruikt. Met FDS/Evac is dan ook een brandsimulatie met een vluchtsimulatie te combineren, hierbij is inzichtelijk te maken hoe de rookverspreiding zich verhoudt tot de onvluchting.
Op dit moment is tevens de NPR 6080 in ontwikkeling, deze NPR is ontwikkeld om berekeningen op basis van de NEN 6089 uit te voeren. Deze NEN is ten tijde van schrijven nog wel groen, maar zal als deze definitief is de opvang- en doorstroomberekening volgens de regeling bouwbesluit vervangen.
Computational Fluid Dynamics
Computational fluid dynamics of kortweg CFD is een techniek waarmee stromingen in de breedste zin van het woord geanalyseerd kunnen worden. De eerste CFD programma's werden in de jaren 60 ontwikkeld in de vliegtuigindustrie om te gebruiken bij het ontwikkelen van vliegtuigen. Hiermee worden vervolgens testen virtueel uitgevoerd die anders in windtunnels plaats hadden moeten vinden. Door toepassing van CFD worden niet alleen de kosten van een windtunnel maar ook de kosten van het vervaardigen van het vliegtuig model bespaart. Vandaag de dag worden nog steeds vliegtuigen ontwikkeld met behulp van CFD testen. De staat van de CFD software voor deze toepassing is zelfs zo goed dat er volledige vliegtuigen worden gebouwd op basis van CFD testresultaten. Er zijn veel CFD pakketten, sommige zogenaamde dedicated CFD pakketten, waar je alleen brand gerelateerde simulaties mee kan uitvoeren, en zogenaamde generieke CFD pakketten die een veelvoud aan toepassingen dienen. Enkele voorbeelden hiervan zijn simulaties om de luchtweerstand van auto's en vliegtuigen te onderzoeken zodat een windtunnel test niet noodzakelijk is. Maar CFD word ook toegepast om het climaat in een gebouw in kaart te brengen en eventueel te verbeteren.
FDS/Smokeview
Het NIFV heeft in 2007 een onderzoek uitgevoerd naar welke CFD pakketten het meest worden gebruikt voor brandsimulaties.
Dit onderzoek, STAALKAART ADVIESBUREAUS, is via deze link te downloaden. Hieruit bleek dat FDS/Smokeview (kortweg FDS) het meest werd toegepast. FDS is een gratis dedicated CFD pakket, dat wil zeggen dat FDS maar voor 1 type simulatie gemaakt word, namelijk een brandsimulatie.
De meeste adviesbureau's gebruikten naast FDS ook een ander simulatiepakket, omdat niet alle simulaties uit te voeren zijn met FDS.
Bij elke simulatie in een CFD programma moeten alle objecten die meegenomen worden in de simulatie in een 3D celverdeling worden gemodeleerd. Hierbij geld: Hoe fijner de celverdeling hoe gedetailleerder de objecten kunnen worden gemodeleerd. Door de wat beperkte mogelijkheden van de cellen van FDS, zullen hoge luchtstromingen voor onbetrouwbare resultaten zorgen. Verder heeft FDS beperkingen wat betreft de omvang van het simulatiedomein, omdat er maar heel beperkt celverfijning mogelijk is. Hierdoor zul je een fijn grid moeten toepassen waardoor het niet mogelijk is grote bouwwerken in te voeren.
Voorbeeld van een simulatie met FDS/Smokeview, dit filmpje laat vooral de visuele mogelijkheden zien.
In de praktijk ben je gebonden aan de rekenkracht en het intern geheugen van de computer. Een sterk punt van FDS is dat het erg geschikt is voor het berekenen van straling van de brand op andere bouwdelen, hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk de kans op brandoverslag te onderzoeken in situaties waar de NEN 6068 niet toepasbaar is. Verder heeft FDS erg veel mogelijkheden op het gebied van brandontwikkeling, activatie van rookmelders, activatie en invloed van sprinklers en Simulaties met een specifiek brandverloop.
Generieke pakketten
Naast het dedicated FDS zijn er vele commerciële generieke CFD pakketten. Op basis van bovenstaande grafiek kan men concluderen dat de volgende pakketten het meest gebruikt worden: Phoenics, CFX en Fluent, hierbij is rekening gehouden met het feit dat SIMULEX geen CFD pakket is. Deze CFD pakketten kunnen naast brand een breed scala aan simulaties uitvoeren en zijn dan ook veel uitgebreider van opzet. Voornoemde pakketten hebben veel mogelijkheden om een complexe geometrie in te voeren, zoals uitgebreide mogelijkheden tot lokale celverfijning en naast hexaëder kunnen deze pakketten vaak ook Tetraëders, Hydraeders en polygonen gebruiken om complexe geometrieen in te voeren. Nadelen zijn dat veel aspecten die bij bijvoorbeeld FDS standaard gedefinieerd zijn, bij de generieke pakketten handmatig ingevoerd moeten worden. Verder is de kans op fouten bij deze generieke pakketten veel groter omdat ze zo uitgebreid zijn.
Vultijden model en "Rook en Warmte Afvoer"
Zowel het TNO/Efectis vultijden model als de NEN 6093 (Beoordelingsmethode van rook- en warmteafvoerinstallaties) zijn rekenmodellen om rooklaagdiktes en eventuele benodigde rook afvoer capaciteit te bepalen. Hiermee kan aangetoond worden dat, al dan niet met behulp van een rook en wamte afvoer installatie, men langer door een ruimte kan vluchten zonder gehinderd te worden door rook. Deze onderbouwing kan dienen als gelijkwaardigheid op de vluchtafstanden die in het bouwbesluit worden voorgeschreven. Tevens kan hiermee onderzocht worden of een brandweerinzet nog mogelijk is. Voor deze rekenmethodieken is een beperkter scala aan computerprogramma's aanwezig. Peutz heeft het programma "GBC vultijdenmodel" uitgebracht waarmee een vultijdenmodel berekening gemaakt kan worden. De meeste adviesbureau's en installatiebedrijven welke met Rook en Warmte Afvoer te maken hebben, gebruiken hiervoor in huis ontwikkelde rekenprogramma's of excel sheets. Over het algemeen zijn deze programma's niet moeilijk te gebruiken voor de mensen die de materie kennen. Het invoeren van plattegronden, zoals noodzakelijk bij brand- en ontvluchtingssimulaties, is niet noodzakelijk. De programma's hebben meestal genoeg aan de invoer van een beperkt aantal variabelen om hun berekening te kunnen uitvoeren.
Zichtfactor en straling
In het reken en beslis model Beheersbaarheid van Brand (afgekort BvB) is een zichtfactor berekening opgenomen waarmee kan worden bepaald of een wandconstructie wel of niet brandwerend uitgevoerd dient worden. Hiermee kan bepaald worden of op basis van de aanwezige afstand tot een belendend object de brandwerend het van de wand kan vervallen. De berekening is gebaseerd op het effect dat de rook heeft in het belemmeren van de straling van de brand. Deze zichtfactor berekening is gebaseerd op een van de stralingsberekeningen uit de PGS 2 (Yellow book). Voor de BvB zichtfactor berekening hebben we op brandpreventieforum een online rekenprogramma.
Tot slot
Over het algemeen is het erg moeilijk dit soort specifieke rekenmodellen commercieel succesvol te automatiseren, vooral als het op lokale regelgeving gebaseerd word en daardoor een erg specifieke en kleine afzetmarkt heeft. Toch worden er steeds meer reken en simulatie modellen geautomatiseerd en het is te verwachten dat deze trend zich voort zet. In het algemeen kan over de besproken rekenmodellen gezegd worden dat de kwaliteit van de resultaten sterk afhangt van de ingevoerde gegevens en dit met de complexiteit van de simulatie modellen niet onderschat moet worden.
Door Emiel van Rossum
