Brannsikkerhet i bygninger Hvilke scenarier må analyseres? Hvordan velge analysemetode? Oslo 6. mai 2010 Audun Borg 1
Sammendrag Brannscenario Valg av brannscenario Analyser vs. Preaksepterte metoder Antall analyser Risikoanalyse Analysemetode Håndberegninger Sonemodeller CFD Eksempler Oppsummering 2
Brannscenario Retningslinjer i regelverk og forskifter: Teknisk Forskrift 1997 NS 3901 Risikoanalyse av brann i byggverk NFPA (Amerikansk brannkode) Britisk standard BS Europeiske standarder Ved bruk av utenlandske standarder er det viktig å få med alle forutsetninger som ligger til grunn for prosjekteringen. 3
Brannscenario TEK 7-21 og TEK 7-24 Dokumentasjon ved analyse/beregninger: Simulere brannforløp Angi nødvendig sikkerhetsmargin Anerkjent analysemetode og dokumentere egnethet til formålet Dimensjonerende brannbelastning fremkommer ved anerkjent dokumenterbare metoder Antennelse, utvikling og spredning av brann og røyk: Overtenning Varmeavgivelse Røykproduksjon Utvikling av giftige gasser Tilgjengelig tid til rømning. 4
Brannscenario Uendelig mange mulige brannscenarier Valg av brannscenario Mål for analysen eller vurderingen Mest konservative scenario Bruk av brannscenarier Veiledningsløsninger Fravik fra veiledningsløsninger Risikoanalyse Kriterier for å velge brannscenarier Hvorfor velge et spesifikt scenario 5
Brannscenarier Mål Personsikkerhet Brannstart Tilgjengelig tid til rømning vs. nødvendig tid til rømning Tid til overtenning Verdisikkerhet Seksjoneringsstørrelser Overtenning? Påregnelig slokkeinnsats Bæresystem Temperaturpåkjenninger Energilast 6
Brannscenario Kriterier for valg Kriterier for valg av brannscenario Må ses i sammenheng med målet Startbrann Plassering av brannen i bygget Plassering av brannen i rommet Brannstørrelse (i effekt) Bruk av tiltak Brannvekst Hva brenner eller kan brenne? Hvordan er dette stablet? Brannforløp Risikoanalyse 7
Brannscenario Valg av brannscenario Finne et brannscenario Hva er det mest konservative Må være etterprøvbart 8
Brannscenario Hvor mange brannscenario finnes? Sammenfattende brannscenario? Samme brannutvikling Samme temperaturer Samme røykspredning Design scenario Må vurderes i forhold til målet for analysen Må være dimensjonerende 9
Brannscenario Risikoanalyser Avdekker hendelser som man må vurdere. Hjelp til å avdekke sannsynlige hendelser. Brukes i analysen for å få en oversikt over scenarioene, sannsynlighetsfordeling. Brukes som grunnlag for vurdering av svikt i branntekniske tiltak som må vurderes. 10
Brannscenario Risikoanalyser NS 3901 Branntilløp og spredning i startbranncellen Røykspredning i og utenfor startbranncellen Flammespredning utenfor starbranncellen Deteksjon, aktivering, slokking Personrisiko Risiko for tap av andre verdier 11
Brannscenario Risikoanalyser Nødvendig pålitelighet til branntekniske systemer er avhengig av byggets utforming og virksomhet. NS 3490: 2004 Prosjektering av konstruksjoner. Krav til pålitelighet. Gir måleverdi for årlig bruddsannsynlighet for bygninger basert på pålitelighetsklasse. Pålitelighet til branntekniske tiltak finnes i litteratur for eksempel PD 7974-7: 2003 Application of fire safety engineering principles to the design of buildings Probabilistic risk assessment. DSB utgir brannfrekvenser for ulike bygninger basert på innrapporteret data. Sammenstilling av dette gir grunnlag for vurdering om brannscenarioet bør inkluderes. 12
Analysemetode Risikoanalyse Håndberegninger Sonemodeller Numeriske strømningsbereginger (CFD modeller) 13
Valg av analysemetode Forskjellige faser i brannforløpet har ulike dominerende parameter. Hvilken fase i brannforløpet som må analyseres er avhengig av målet med analysen. Analysemetodene er validert/egnet for ulike områder. 14
Valg av analysemetode Utvikling Fult utviklet brann Reduksjon 15
Analysemetode Håndberegninger Finnes mange formelverk. HO/3-2000, CIBSE, BR368, Eurokoder etc. Forenklet beregning: Steady state Temperatur i røyklaget, røykfri høyde, temperatur i flammen etc. Inkluderer ofte ikke tid. Tar ikke hensyn til strømningsforhold (ventilasjon). Forenklet geometri. Ofte kun ett rom. Validering av metode (CIBSE, BR368 begrensning i røykberegninger: 3000 m 2 ) 16
Temperature C Analysemetode Håndberegninger EC 1 Temp. 1200 1000 800 600 Temp. 400 200 0 0 1 2 3 4 Distance m 17
Temperature C Temp. C Analysemetode Håndberegninger EC 1 Temperatures 700 600 500 400 300 200 100 0-100 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Time (h) T 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Time sec. Iso. Temp. Steel temp. 18
Analysemetode Sonemodeller Finnes mange typer sonemodeller: Argos, CFAST, FPETool etc. Forenklet brannsimulering: En eller to soner Temperatur, røykfylling, detektor aktivering Inkluderer tid Tar ikke hensyn til strømningsforhold (ventilasjon) Kun enkel geometri Tar ikke hensyn til moment i røyken 19
m Analysemetode Sonemodeller H T Distance to smokelayer V S m e T S U m S m e T a V S m m a,o a,i 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 s Distance to smokelayer m f 20
Analysemetode Håndberegninger og sonemodeller Godt egnet for situasjoner med relativt enkel geometri og strømningsforhold. Gir raske svar og det kan enkelt utføres mange beregninger. Godt egnet tidlig i prosjekt når geometrien ikke er 100% bestemt. Godt egnet i forbindelse med vurderinger rundt overtenning og fult utviklet brann. 21
Analysemetode CFD Analyser Mange ulike CFD program FDS, CFX Ikke alle er like begeistret for denne typen analyser avansert metode for å senke bygningens brannsikkerhetsnivå Utfordring til personer som benytter seg av CFD modeller. Når må man ta steget fra håndberegninger til avanserte CFD analyser? For hvilke brannscenario er CFD analyser egnet? 22
Analysemetode CFD CFD analyse tar for seg den faktiske geometrien og strømningsforholdene i bygningen. Deler volumet inn i kontrollvolum (celler). Generelt blir ligninger for bevaring av masse, moment og energi løst i hvert kontrollvolum. Ut fra disse kommer programmet ut med interessante variabler for brannen: Røyktetthet Hastigheter Trykk Temperaturer etc. 23
Analysemetode CFD 24
Analysemetode CFD fordeler Realistisk representasjon av geometrien. Transient fremstilling av brannforløpet. Realistisk representasjon av brannen og det aktuelle brenselet. Tar for seg de gjeldende strømningene i volumet ift. ventilasjon. Økt detaljeringsgrad av resultater. Visualisering av brannforløpet. 25
Analysemetode Eksempel Glassgård Sprinklet Røykventilert Stort volum (80m x 30m x 25m høyt) Oppført i brannklasse 4 HO-3/2000 Røykfri høyde: 10m (19m 2 røykluker) 26
Analysemetode Eksempel Glassgård HO-3/2000 Sprinklet Er HO-3/2000 egnet for denne geometrien? 27
Analysemetode Eksempel Brann i bokhandel. Liten brann 2MW Sprinklet område Brannareal redusert iht. HO-3/2000 28
Analysemetode Eksempel 29
Analysemetode Eksempel 30
Analysemetode Eksempel 31
Analysemetode Eksempel FDS analysen viste at det var en liten brann som ble dimensjonerende ift rømningssikkerhet Balkonger og gangbroer kan ha stor innvirkning på røykfyllingen i volumet. Denne typen røykbevegelser blir ikke inkludert i håndberegninger og sonemodeller. 32
Analysemetode Eksempel 33
Utfordringer og begrensninger Tidkrevende. Lite fleksibelt ift. design forandringer. Rektangulær geometri (FDS). Store krav til modellerer. Valg av scenario Grid oppløsning Antageler etc Problemer ifm. overtenning og fult utviklet brann. Store krav til kontroll av modelleringen. Dokumentasjonskrav. 34
Utfordringer og begrensninger Grid/vifter Vifte 1: 0,3m Vifte 2: 0,1m Vifte 3: 0,05 35
Utfordringer og begrensninger Grid/brann 36
Utfordringer og begrensninger Fult utviklet brann (underventilert) 37
Utfordringer og begrensninger Vurderinger rundt varmetransport til konstruksjoner (i tunneler) 38
Feilkilder Matematisk modell Den matematiske modellen vil alltid representere en tilnærming til virkeligheten, og dermed introduseres feil ift. reel løsning. Oppløsning Analytiske ligninger overføres til numerisk modell og løser det i noen punkter. Valg av løsningsmetode Valg av sub modeller i f eks FDS Konvergens Grid uavhengig løsning 39
Oppsummering Valg av brannscenario Avhenger av byggets risikoklasse og brannklasse Avhenger av byggets virksomhet og geometriske kompleksitet Minimum antall brannscenario må begrunnes ved risikovurdering. Worst case Sannsynlig worst case Normal tilfeller, etc. Alle prosjekt hvor en branntekniske analyse utføres bør inkludere en risikoanalyse. 40
Oppsummering Analysemetode Valg av analysemetode må ses i sammenheng med hva man vil oppnå med analysen. Valgte analysemetode må være validert for den type brannscenario som skal analyseres. For CFD: Sensitivitetsanalyse. Kontroll av resultat. 41
Takk for oppmerksomheten! 42