Kan sprinkler invulling geven aan rookwerendheid conform NEN 6075?

In Brandveilig.com 2021/4 publiceerden Peter Boll en Mirre Veerman een artikel over het nut van rookwerendheid bij een gesprinklerd gebouw en de mogelijke invulling van rookwerendheid volgens NEN 6075. Naar aanleiding van dit artikel is in samenwerking met de Verenigde Sprinkler Industrie (VSI) een vervolgonderzoek gestart. In dit artikel presenteren de auteurs hoe en onder welke voorwaarden invulling kan worden gegeven aan bijlage C van NEN 6075.

Toepassen van sprinkler en sturen van ventilatie om invulling te geven aan bijlage C van NEN 6075 (Alternatieve, meer uitgebreide, bepaling van de weerstand tegen rookdoorgang op basis van lekkage), is met name interessantwanneer een gebouw bestaat uit een celvormige indeling en veel brandscheidingen heeft. Brandscheidingen moeten doorgaans ook rookwerend zijn, waardoor er onder andere veel gestuurde brandkleppen noodzakelijk zijn. Dit geldt bijvoorbeeld bij de beddenhuizen in ziekenhuizen en hotels. Karakteristiek bij deze twee functies is een gangzone, met aan weerszijden ruimten waar wordt geslapen en welke beschermde subbrandcompartimenten zijn.

Voor beschermde subbrandcompartimenten worden eisen gesteld aan brandwerendheid (30 minuten) en rookwerendheid (R₂₀₀). Algemeen wordt gesteld dat de weerstand tegen warme rook (R₂₀₀) niet relevant is voor een gesprinklerde situatie. Enkel rookwerendheid tegen koude rook (R_a)  moet worden gerealiseerd in een gesprinklerd gebouw omdat de rooklaagtemperatuur beperkt blijft (ruim onder de 200 ˚C).

Onderzoeksvraag

Het onderzoek focust zich daarom op het voorkomen van verspreiding van koude rook (R_a). Tijdens het onderzoek is wel getoetst of de 200 ˚C niet wordt overschreden. Het onderzoek richt zich op het voorspellen van rookverspreiding naar aangrenzende ruimten.

Software

Er is gebruik gemaakt voor een zonemodel, Sylvia v12. Sylvia is ontwikkeld door Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN). Met dit rekenmodel zijn simulaties uitgevoerd, waarbij de ontwikkeling van brand en verspreiding van rook door bouwkundige scheidingen en ventilatiesystemen is gesimuleerd. Redenen waarom voor dit softwarepakket is gekozen:

• De software is gevalideerd voor de toegepaste brandsimulaties.
• Er kunnen meerdere ruimten worden gemodelleerd, zodat de rookverspreiding tussen meerdere ruimten kan worden onderzocht.
• Het ventilatiesysteem (en debieten/druk) wordt gemodelleerd in hetzelfde model als de brand.
• Grote en kleine lekverliezen worden drukafhankelijk meegenomen in het model.
• De invloed van een sprinklerinstallatie kan worden gesimuleerd (gevalideerd, zie artikel W. Plumecocq et al (1)).

Het model werkt met gekoppelde zones. Iedere ruimte is een zone. Het ventilatiesysteem wordt berekend op basis van luchtstroming, kanalensystemen en punten waar de druk in het systeem op die punten wordt gegeven.

De brand in de brandruimte wordt berekend met een 2-zonemodel (warme rooklaag en koude luchtlaag), waarbij vele parameters temperatuur- en drukafhankelijk kunnen worden ingevoerd. Ook de lekverliezen hebben hierbij een dynamisch karakter. Het warmtetransport via wanden wordt in het model ook meegenomen (zie figuur 1).

Uitgangspunten

Bouwkundige uitgangspunten en ventilatie

Als bouwkundig uitgangspunt wordt de plattegrond als weergeven in figuur 2 gemodelleerd. De deuren zijn zelfsluitend. De bouwkundige indeling en afmetingen (evenals het ventilatiesysteem, opbouw daarvan en capaciteit), zijn gebaseerd op hedendaagse praktijkvoorbeelden (niveau nieuwbouw).

In de gang liggen de toe- en afvoerkanalen. In de kamers is een ventilatiecapaciteit van 175 m³/h aanwezig (aan- en afvoer in de ruimte). Op de brandcompartimentsgrenzen zijn brandkleppen met smetlood opgenomen.

Uitgangspunten brandhaard en rookproductie

De brandhaard is een t² brandkromme volgens de Eurocode. Een ziekenhuis en hotel hebben volgens deze norm beide een matige brandgroei (tijdsconstante 300 s) en een brandvermogensdichtheid van 250 kW/m². Met het door NIST ontwikkelde programma DETACT, gebaseerd op DETACT-12, is berekend wanneer een sprinkler zal activeren. Hierbij is rekening gehouden met een activatietemperatuur van 68 ˚C. Uit deze berekening komt dat in de brandruimte na 212 seconden de eerste sprinkler activeert. Vanaf dit moment is aangenomen dat de brandgroei stopt en constant blijft (als ongunstige brandkromme). Het maximale vermogen van de brand is 524 kW (zie figuur 3). Als uit het model blijkt dat de sprinkler eerder activeert, wordt in het onderzoek dezelfde brandkromme aangehouden. Op die wijze worden uniforme uitgangspunten gehanteerd en zijn de resultaten conservatief.

Tegenwoordig wordt veel gebruikgemaakt van kunststoffen. Daarom wordt een zeer conservatieve rookproductie aangehouden. Waar gebruikelijk voor 0,03 g/g (2) of 0,05 g/g (3) wordt aangehouden, wordt in de berekeningen het brandbaar materiaal benzeen toegepast. Dit materiaal heeft een heel grote rookproductie (soot yield) van 0,181 g/g. De verkregen data over de verspreiding van rook naar aangrenzende ruimten is daardoor conservatief.

Uitgangspunten sprinkler

Uitgangspunt voor het onderzoek is een gebouw dat beveiligd is met sprinklers, type K80, Quick response (RTI maximaal 50). Voor de haalbaarheidsstudie is het verschil tussen 68 ˚C en 57 ˚C activatietemperatuur onderzocht.

Een sprinkler activeert nadat deze zich een bepaalde tijd in de warme rooklaag bevindt. In een 2-zone model wordt alleen de gemiddelde rooklaagtemperatuur berekend (en niet het temperatuurverloop in de warme laag). Dit gemiddelde ligt uiteraard lager dan de maximale temperatuur (waar de sprinklerkop zich bevindt, zie figuur 4).

Uit diverse full scale testen uit de VIPA-studies (6) én CFD-modellen blijkt dat als de gemiddelde rooklaagtemperatuur minimaal gelijk is aan de activatietemperatuur van de sprinkler, de maximale temperatuur in de rooklaag 20 tot 30 seconde lang boven die activatietemperatuur ligt. Een quick response sprinkler zal binnen die tijd geactiveerd zijn.

Het koelend effect van de druppels en verdampen van water zijn zaken die meegenomen zijn in de berekeningen met Sylvia.

Uitgangspunten lekverliezen

Er worden lekverliezen tussen de ruimten en naar buiten beschouwd. Deze lekverliezen zijn verkregen uit NPR 6095-2 (7) (tabel C.3 voor deuren en tabel C.5 voor wanden):

• De buitenwanden hebben een muurdichtheid ‘Dicht’. Deze waarde is gekozen, omdat in het kader van duurzaamheid de luchtdichting van gevels steeds belangrijker wordt.
• De binnenwanden worden als ‘Gemiddeld’ beschouwd. In deze wanden worden geen maatregelen ter verbetering van de luchtdichting verondersteld.

De uitgangspunten zijn samengevat in figuur 5.

Toetscriteria

Het primaire criterium (grenswaarde welke niet overschreden mag worden) voor het aantonen van de primaire doelstelling van NEN 6075:

• Het drukverschil tussen brandruimte en aangrenzende ruimte is maximaal 10 Pa zodat er geen grote drijvende kracht achter de verspreiding van rook zit.

Omdat de norm feitelijk in het leven is geroepen voor tegengaan van rookverspreiding en niet voorkomen van drukverschil, stellen wij ook secundaire criteria die aanvullend zijn om te beoordelen of rookverspreiding voldoende wordt tegengegaan. Deze waardes gaan om de feitelijke rookverspreiding en maximale temperatuur waarbij ventilatiecomponenten bezwijken:

• Rook verspreidt zich niet naar een andere kamer of de gang binnen 15 minuten. Als waarde wordt een maximum rookconcentratie in de aangrenzende ruimten gesteld van 2,0 x 10^-5 kg/m³ (4, 5).
• De temperatuur van de rooklaag is maximaal 200 °C. Bij hogere temperaturen is er een risico op bezwijken van componenten.

Haalbaarheidsstudie

Om in beginsel de haalbaarheid te onderzoeken, zijn een aantal basismodellen doorgerekend. De variatie zit hierbij in de activatietemperatuur van de sprinklerkoppen en de sturing van ventilatie. Er is gevarieerd met een 68 °C en 57 °C sprinklerkop. Daarbij is eerst uitgegaan van het in stand houden van de luchttoevoer en -afvoer.

Vervolgens zijn twee aparte variaties in sturing van de luchtbehandeling onderzocht. De sturing wordt uitgevoerd over het hele bouwdeel. De twee varianten in de sturing van ventilatie die worden onderzocht, zijn:

• Optoeren van de afvoer naar 192,5 m³/h en gelijktijdig aftoeren toevoer naar 100 m³/h.
• Door laten draaien afvoer en afschakelen toevoer.

Het schakelen van de ventilatie wordt gestuurd door de automatische brandmelders. Dit betekent dat in de minst gunstige situatie de sturing na 1 minuut plaatsvindt.

De eerste berekening (toe- en afvoerventilatie aan, 68 °C sprinkler), geeft als verwacht de karakteristieke afname van de druk in de ruimte bij activeren van de sprinkler. Het verloop van de druk in de brandruimte is sterk vergelijkbaar met de VIPA-studie proef 4bis (gesprinklerde brand) (6) (zie figuur 6a en 6b). Er lijkt qua onderdruk wel een groot verschil te zitten in de berekening en de praktijk, maar dit wordt veroorzaakt doordat de drukopnemer in de VIPA-studie geen druk lager dan -8,5 Pa kon meten. Deze drukval duurt circa 30 seconden. Dit is sterk vergelijkbaar met de rekenresultaten. Dat de maximale druk in de brandruimte niet gelijk is, komt door een aantal verschillen. De belangrijkste zijn:

• De oppervlakte en hoogte van de brandruimte en aangrenzende ruimten zijn niet gelijk.
• Er is in de berekening mechanische ventilatie aanwezig.
• De sprinklertypes zijn niet gelijk.
• De lekverliezen van wanden zijn niet gelijk.

Bij de studie met de 68 °C sprinkler wordt het drukverschil van maximaal 10 Pa overschreden. De resultaten zijn weergegeven in figuur 7a t/m 7d.

De resultaten van de zes varianten uit de haalbaarheidsstudie zijn weergegeven in de tabel in figuur 8. Hierin is weergegeven welke studies wel en niet voldoen aan de primaire en secundaire toetscriteria. Bij de modellen van de 57 °C sprinkler en sturing ventilatie voldoen de modellen aan de drie criteria. De variant 57 °C en afschakelen toevoer (minder complex dan sturen op onbalans ventilatie) wordt daarom als meest haalbaar gezien. Bij het tweede deel van het onderzoek ten behoeve van toetsen betrouwbaarheid wordt uitgegaan van dit type sprinkler en afschakelen toevoerventilatie.

Bij de gevoeligheidsstudie worden diverse parameters gewijzigd om de betrouwbaarheid en toepasbaarheid van dit onderzoek te toetsen. In basis wordt gerekend met toe- en afvoerventilatie aan. Indien een van de toetscriteria bij dat model wordt overschreden, wordt een variant doorgerekend met ‘toevoerventilatie uit’.

Per variant wordt 1 parameter gewijzigd. Het gaat hierbij om de volgende variabelen:

• Grootte van de ruimte. Er wordt gekeken naar een hele kleine ruimte (werkkast) en een hele grote ruimte.
• De inwendige hoogte van de ruimte (van vloer tot onderzijde verlaagd plafond). In de haalbaarheidsstudie is 2,7 meter aanwezig. De varianten zijn: 2,3 m, 3,0 m, 3,5 m en 4,0 m.
• Brandgroeisnelheid. Bij de haalbaarheidsstudie is gekozen voor ‘matig’. Er wordt gevarieerd met ‘langzaam’ (tα = 600 s) en ‘snel’ (tα = 150 s).
• Andere materialen en rookverspreiding. Er wordt gekeken naar hout als brandbaar materiaal en benzeen met een gemodificeerde soot yield van 0,05 g/g.
• In basis is uitgegaan van een windstille situatie. Er wordt gevarieerd met stormachtige wind tegen de gevel van de brandruimte en van die gevel af (windkracht 10 op een hoogte van 70 m).
• Onderzoek naar de minimaal vereiste ventilatiecapaciteit. De capaciteit per kamer wordt naar beneden bijgesteld tot een van de drie toetscriteria wordt overschreden.
• Het laatste onderzoek betreft de mogelijkheid tot variatie in de lekdichtheid.

De samenvatting van deze gevoeligheidsstudie is weergegeven in de tabel in figuur 9.

Conclusie

Uit de haalbaarheidsstudie en de gevoeligheidsstudie blijkt dat door sprinkler te combineren met sturen van de luchtbehandelingsinstallatie rookverspreiding vanuit een beschermd subbrandcompartiment kan worden voorkomen als invulling aan bijlage C van NEN 6075. Uitgangspunt voor deze toepassing zijn gebouwen met een celachtige structuur waarbij relatief kleine vertrekken brand- en rookwerend zijn in de vorm van beschermde subbrandcompartimenten (bijv. hotelkamers en bedkamers). Hiervoor gelden de volgende randvoorwaarden:

• Het volledige brandcompartiment is beveiligd met een sprinklerinstallatie. Op de brandscheidingen van het brandcompartiment zijn brandkleppen met smeltlood toegepast.
• De inrichting van de vertrekken betreft een gangachtige structuur met gescheiden ruimtes in de vorm van beschermde subbrandcompartimenten. De gangwand is daarbij brand- en rookwerend:
  • de deuren in de gangwand zijn zelfsluitend;
  • de brandwerend gescheiden ruimten hebben een oppervlakte waarbij maximaal 4 sprinklers in de ruimte vereist zijn.
  • de inwendige hoogte (van vloer tot verlaagd plafond) is maximaal 3,5 m;
  • er is mechanische toe- en afvoerventilatie aanwezig (balansventilatie) met ten miste een ventilatiecapaciteit van 3,7 m³/h per m² vloeroppervlakte;
  • er zijn optioneel brandkleppen met smeltlood aanwezig in de brandscheiding van de beschermde subbrandcompartimenten.
  • het gebouw mag niet hoger zijn dan het toepassingsgebied van het Bouwbesluit.
• In de ruimten is geen sprake van grote hoeveelheden opslag, de maximale toegestane gevarenklasse is ‘Ordinairy Hazard’.
• Ten behoeve van een vroegtijdige activering moet de sprinklerinstallatie voorzien zijn van sprinklerkoppen met een aanspreektemperatuur van 57˚C, type ‘quick response’.
• Het brandcompartiment is beveiligd met een brandmeldinstallatie met volledige bewaking en de detectie van brand dient plaats te vinden op basis van een optische brandmelder.
• Bij brandmelding moet de toevoerventilatie afgeschakeld worden terwijl de afvoer in stand blijft.

Indien aan bovenstaande voorwaarden wordt voldaan, wordt door de sprinklerinstallatie in combinatie met de sturing van de luchtbehandelingsinstallatie de drukopbouw in de brandruimte voorkomen en wordt rookverspreiding voorkomen. Hierdoor is het toepassen van een gestuurde brandklep ter plaatse van de scheiding van de beschermde subbrandcompartimenten in deze situaties niet benodigd om invulling te geven aan de vereiste rookwerendheid.

Een belangrijk aandachtspunt is doordat toevoer afschakelt bij brand (en afvoer blijft draaien), het HVAC-systeem feitelijk onderdeel wordt van de integrale brandveiligheid. Een vorm van functiebehoud bij brand is een belangrijke overweging. Bij (tijdelijk) afschakelen van met name de afvoerventilatie, moeten passende maatregelen worden getroffen.

De volledige resultaten zijn te vinden in het onderzoeksrapport (binnenkort beschikbaar via https://www.sprinkler.nl).

Mirre Veerman, adviseur brandveiligheid bij Royal HaskoningDHV

Peter Boll, senior adviseur brandveiligheid bij Royal HaskoningDHV

Daan Jansen, Senior Fire Safety Consultant & Associate Director bij Royal HaskoningDHV

Literatuur

(1) Numerical method for determining water droplets size distributions of spray nozzles using a two-zone model, W. Plumecocq, L. Audouin, J.P. Joret, H. Pretrel, d.d. 2017, Nuclear Engineering and Design.

(2) SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, third edition 2002.

(3) Soot Yield values for modelling purposes – residential occupancies, A. Robbins, C. Wade, BRANZ 2008.

(4) SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 5th edition, SFPE.

(5) NEN 6098:2012 Rookbeheersingssystemen voor mechanisch geventileerde parkeergarages.

(6) VIPA-studies: diverse onderzoeken uitgevoerd in opdracht van de Vlaamse regering m.b.t. brandveiligheid en full scale testen voor ouderenvoorzieningen.

(7) NPR6095-2:2012 Rookbeheersingssystemen – Deel 2: Richtlijnen voor het ontwerpen en installeren van overdrukinstallaties.