CFD-berekening toont rookwerendheid zonder brandkleppen aan

Kan met de bestaande sprinklerinstallatie en sturing van de ventilatie en het ontbreken van motorgestuurde brandkleppen voldaan worden aan R₂₀₀ conform NEN 6075:2020? Met behulp van een CFD-model werd onderzocht of dit mogelijk was voor twee grote collegezalen van de Universiteit Utrecht.

Voor het Educatorium, een gebouw van de Universiteit Utrecht, is vanuit het verbeterprogramma een gelijkwaardige invulling aanwezig voor de rookwerende scheidingen (R₂₀₀). Het betreft hier de grote collegezalen Megaron en Theatron. Oorspronkelijk gold de gecertificeerde sprinklerinstallatie als gelijkwaardige invulling voor het ontbreken van brandkleppen op de brandscheidingen. Nu deze scheiding rookwerend dient te zijn in plaats van brandwerend, zouden er motorgestuurde brandkleppen toegepast moeten worden. Er is echter in de bestaande situatie geen ruimte voor aanbrengen van brandkleppen. Daarom is de Universiteit op zoek naar een inhoudelijke onderbouwing voor het ontbreken van brandkleppen en deze kleppen zouden de ventilatiecapaciteit verminderen. In dit artikel komen aanpak, uitgangspunten, onderzoek en projectresultaten aan de orde.

Doel

Het doel van het onderzoek is om aan te tonen dat met de bestaande sprinklerinstallatie en sturing van de ventilatie en het ontbreken van motorgestuurde brandkleppen wel voldaan kan worden aan R₂₀₀ conform NEN 6075:2020. Hierbij is, zoals de norm voorschrijft, niet gekeken naar lekverlies bij specifieke drukverschillen, maar het beperken van rookverspreiding.

Het idee achter het concept ‘sprinkler in combinatie met sturen ventilatie’ is dat door het activeren van de sprinkler, de brand beperkt blijft en de drukopbouw in de ruimte sterk wordt verminderd. Door aanvullend de ventilatie te sturen, is het doel dat de ontwikkelde rook wordt afgezogen en zich niet verder naar andere ruimtes verspreidt.

Onderzoeksmethode: CFD-model

Eerder heeft Royal HaskoningDHV een onderzoek uitgevoerd met een vergelijkbaar doel, echter voor een andere bouwkundige situatie. Dat onderzoek was uitgevoerd met een zonemodel. Dit onderzoek, voor de grote collegezalen met een meer complexe bouwkundige structuur, past niet goed in een zonemodel. Een zonemodel gaat namelijk uit van twee zones (warm bovenin, koud onderin), gelijk over de gehele oppervlakte van die ruimte. De vloer loopt in deze situatie niet vlak. Ook gaat het hier om een zeer grote ruimte, waarbij een zonemodel niet voldoende overeenkomt met de werkelijkheid. Daarom is gekozen voor een CFD-model.

Uitgangspunten

Het ventilatiesysteem zoals aanwezig, voorziet niet alleen de grote collegezalen van verse lucht, ook de overige aangrenzende ruimtes worden met ditzelfde kanalenstelsel gevoed. Dat betekent dat een brand in een collegezaal kan zorgen voor rookverspreiding naar die andere ruimtes. Daarom zijn de aangrenzende ruimtes ook als één aparte aangrenzende ruimte meegenomen. Dit is schematisch weergegeven in figuur 1.

Als randvoorwaarden zijn de volgende waardes aangehouden:

• Rookverspreiding aangrenzende ruimte: maximaal 2,0 x 10^-5 kg/m³ in die ruimte.
• Risico rookverspreiding: maximaal 1 meter terugstroming rook in kanaal (zie figuur 2).
• Bezwijken kanalen: maximale temperatuur van de rook in kanalen 200 °C.

In het model is sprinkler enkel meegenomen door de brandgroei te stoppen bij activatie sprinkler. In een dergelijk grote ruimte is het niet aannemelijk dat de druk in de ruimte heel hoog zal worden. Met DETACT-T2, ontwikkeld door NIST, is de activatietijd van de sprinkler bepaald op 492 seconden. Hierbij is een voor dit type ruimte karakteristieke gemiddelde brandgroeisnelheid aangehouden. Voor indelings- en gebruiksvrijheid is de maximumbrandvermogensdichtheid als 500 kW/m² aangehouden. Dit resulteert in een maximale HRR van 3,5 MJ, wat neer komt op een brand van 7 m². Als rookproductie is 0,05 g/g aangehouden.

Berekende scenario

Het minst gunstige scenario bij brand is als de grootste collegezaal 100% bezet is. Dan moeten er immers de meeste personen vluchten. Dit betekent ook dat de ventilatiecapaciteit van de ruimte op 100% van het ontwerpdebiet zal zijn in deze situatie. Op het moment dat de collegezalen volledig in gebruik zijn, zullen er automatisch minder personen in de overige ruimtes aanwezig zijn. Derhalve worden daar geen personen aangenomen en staat de ventilatie in die ruimtes uit. Hiermee is direct het grootste risico dat bij brand rook gaat terugstromen in de kanalen, richting de aangrenzende ruimtes. Als eerste berekening wordt geen verdere sturing van de ventilatie bij brand aangenomen.

Eerste rekenresultaten

Doordat de ventilatie niet verder gestuurd wordt en daardoor er geen luchtstroming in de kanalen aanwezig is naar de collegezaal, zal er rookverspreiding optreden. De rook zal via de kanalen naar de aangrenzende ruimtes stromen. Dit is duidelijk te zien in figuur 4. Binnen 75 seconden is de stroming van rook in het kanaal naar de aangrenzende ruimte al duidelijk zichtbaar.

Er is sprake van rookverspreiding naar de aangrenzende ruimte na circa 90 seconden (zie de grafiek in figuur 5).

Wijziging scenario en rekenresultaten

Door het ontbreken van luchtstroming in een deel van de kanalen, is het nodig de ventilatie te sturen bij een brandmelding van een automatische brandmelder. Er wordt aangenomen dat de brand binnen 60 seconden gedetecteerd kan worden. De eerste 60 seconden van de berekening zal dus hetzelfde zijn als het vorige scenario. Na 60 seconden wordt de ventilatie zodanig gestuurd dat deze op 100% van de ontwerpcapaciteit draait. Bij deze variant is er geen sprake van rookverspreiding naar de aangrenzende ruimtes. Dit is goed te zien in figuur 5. Na 276 seconden (onderste afbeelding in figuur 6) was er geen toename van rookverspreiding meer waargenomen. De rookdichtheid in de rooklaag werd uiteraard wel hoger (tot 492 seconden), maar rook zou zich niet naar de aangrenzende ruimte verspreiden of verder het kanaal naar deze ruimtes intrekken.

Conclusie en wijzigingen

Het sturen van de ventilatie naar 100% in alle ruimtes is dus een vereiste om rookverspreiding naar de aangrenzende ruimtes tegen te gaan. Motorgestuurde brandkleppen zijn in deze situatie dus niet nodig. Wel zijn er een tweetal belangrijke uitgangspunten gesteld, die in de praktijk nagekomen moeten worden.

De eerste is het detecteren van een brand binnen 60 seconden. Het is uiteraard wel een vereiste dat het type brandmelder hiertoe ook in staat is. Hierom zullen er bij de twee grote collegezalen kanaalmelders in het afvoerkanaal aangebracht worden.

Een tweede belangrijk gesteld uitgangpunt is het aanwezig zijn van ventilatie. De ventilatie wordt dus onderdeel van de brandbeveiliging en er wordt daarmee een betrouwbaarheid verwacht van dit systeem. In de situatie van het Educatorium, wordt de afvoerventilatie van het de collegezalen geregeld door een 3-tal luchtbehandelingskasten die gezamenlijk 100% van de ontwerpcapaciteit realiseren. Voor extra betrouwbaarheid is een extra ventilator aangebracht die de capaciteit van één luchtbehandelingskast kan overnemen, mocht een luchtbehandelingskast buiten werking zijn (bijvoorbeeld bij onderhoudswerkzaamheden). Drie stuks zijn vereist om 100% van de ontwerpcapaciteit te kunnen afvoeren. Daarmee is er dus een N+1 situatie aanwezig en kan het systeem als meer betrouwbaar worden bestempeld.

Deze twee specifieke punten laten dus goed zien dat een dergelijke gelijkwaardigheid niet zomaar in ieder gebouw toe te passen is. Ook is het belangrijk bij een dergelijk onderzoek om het bevoegd gezag te betrekken. In dit onderzoek zijn er diverse gesprekken met het bevoegd gezag geweest om het onderzoek, de uitgangspunten en resultaten te bespreken. Uiteindelijk heeft het bevoegd gezag het gehele onderzoek met de aanpassingen aan detectie en daarmee de wijziging van de vergunning goedgekeurd.

Mirre Veerman, adviseur brandveiligheid bij Royal HaskoningDHV

Peter Boll, senior adviseur brandveiligheid bij Royal HaskoningDHV