Bij de uitwerking van de plannen voor een nieuwe OV-terminal (station Utrecht Centraal) is veel aandacht besteed aan brandveiligheid. Ingenieursbureau Movares heeft middels CFD-simulaties aangetoond dat het ontwerp gelijkwaardig is aan de eisen van het Bouwbesluit, mits de onderkant van een bestaande vloer van de centrale hal brandwerend bekleed wordt.
Het project OVT Utrecht
Het Centraal Station in Utrecht gaat de komende jaren flink op de schop. ProRail verbouwt het station tot een nieuwe ‘OV-terminal’. Dit verbindingspunt voor trein, bus, sneltram en taxi wordt 90 meter breed, 240 meter lang en 17 meter hoog. De nieuwe hal zal 22.000 vierkante meter groot worden, ongeveer drie voetbalvelden. Ongeveer een derde deel hiervan, 7800 vierkante meter, over twee lagen verdeeld, is bestemd voor commerciële ruimten: winkels, kaartverkoop, bagagekluizen en toiletten.
Aanleiding voor dit project is de verwachte reizigersgroei van 200.000 per dag nu tot 360.000 in 2030. Voor het kunnen verwerken van meer reizigers en meer treinen moet de terminal logistiek goed ingedeeld zijn, zodat reizigers en passanten elkaar niet hinderen, de treinperrons sneller leeg zijn en reizigers snel en gemakkelijk hun weg kunnen vinden. Het ontwerp dat dit moet gaan realiseren is ontworpen door architectenbureau Benthem & Crouwel, in samenwerking met ingenieursbureau Movares.
Het project is onderdeel van een enorm programma van de gemeente Utrecht voor ontwikkeling van het gebied rondom het station, inclusief een nieuw muziekcentrum, een nieuwe bibliotheek, een vernieuwd winkelcentrum Hoog Catherijne en de terugkeer van water in de Catherijnesingel.
Gelijkwaardigheid aantonen
Het recente verloren gaan van het gebouw van de faculteit Bouwkunde van de TU Delft heeft ons weer eens geleerd, wat een goede brandveiligheid waard is. De wetgever definieert dit als veiligheid voor reizigers, passanten, personeel en, bij een ongeval, de hulpdiensten. Voor ProRail komt daar ook de continuïteitsopgave bij: het behoud van het gebouw en zijn functie in het (inter-) nationale en regionale spoorwegnet. Voor doorsnee-gebouwen met brandcompartimenten kleiner dan 1000 vierkante meter gelden de voorschriften en prestatie-eisen in het Bouwbesluit.
De nieuwe OV-terminal is duidelijk niet doorsnee. Voor gebouwen van deze categorie zijn geen standaardvoorschriften te maken en daarom stelt het Bouwbesluit functionele eisen: beperking van ontstaan en uitbreiding van brand en rook, garanderen van een veilige vluchtroute en ondersteuning van de brandbestrijding. De opdrachtgever is verantwoordelijk voor aantonen dat zijn gebouw aan deze eisen voldoet en op die manier gelijkwaardig aan het Bouwbesluit is.
Projectleider bij Movares, Jasper Nieuwenhuizen: “We zijn van start gegaan met het ontwerp van de OV-terminal en de brandscenario’s. Het pakket brandveiligheidsvoorzieningen in het ontwerp bestond uit onder andere brandveilige constructiematerialen (beton, staal en glas), rookberging (hoogte van de hal), automatische ventilatieluiken in het dak, rookschermen langs de perrons, een brandmeldinstallatie, een gecertificeerde sprinkler met primaire bluswatervoorraad, een eigen bluswatervoorziening voor de brandweer, een ontruimings-omroepinstallatie, veilige vluchtroutes en aanvalsroutes voor de brandweer.”
Gelijkwaardig? Simuleer het!
Hoe toon je aan dat een gegeven ontwerp bij gegeven brandscenario’s gelijkwaardig aan het Bouwbesluit is? Het gebouw neerzetten, volgens de brandscenario’s in brand steken en uitproberen of de honderden of duizenden mensen op tijd in veiligheid zijn, is uiteraard geen optie.
Je kunt dit proces echter wèl simuleren. Je voert het ontwerp met alle voorzieningen in een computer in, sticht virtueel een brand, laat de computer uitrekenen hoe de brand en de rook zich ontwikkelen en verspreiden en kijkt op strategisch vastgestelde meetpunten in de vluchtroutes of het daar gedurende een kwartier na de brandmelding veilig blijft, zodat mensen kunnen vluchten. En op meetpunten tegen gevels en wanden laat je de computer uitrekenen hoe warm het daar is, zodat je kunt bepalen of de constructie het houdt.
Precies dit kun je met CFD. ‘CFD’ staat voor ‘Computational Fluid Dynamics’, stromingsfysica op de computer, ofwel een simulatie van de stroming van warmte, verbrandingsgassen en rookdeeltjes. CFD is de beste van de beschikbare technologieën van dit moment, kan alle relevante brandscenario’s doorrekenen en laat je het ontwerp beoordelen in een fase waarin aanpassingen nog volop mogelijk zijn. Uitkomst van de beoordeling kan zijn, dat er voorzieningen bij moeten of de constructie aanpassing behoeft, dat het ontwerp okee is, of dat bepaalde voorzieningen overbodig zijn. Voldoende brandveiligheid, zonder onnodige kosten.
Daar komt bij dat CFD als objectief instrument tegenwoordig geaccepteerd is. Illustratief daarvoor is dat het, bijvoorbeeld bij parkeergarages en tunnels, vaak al standaard door de brandweer gevraagd wordt.
Fire Dynamics Simulator
In haar groep Fysieke Veiligheid voert Movares CFD-simulaties uit met behulp van het computerprogramma Fire Dynamics Simulator (FDS). Dit pakket is ontwikkeld en wordt onderhouden door het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten. Door middel van toetsing van rekenresultaten aan uitkomsten van experimenten en incidenten heeft het instituut het programma gevalideerd. De Amerikaanse overheid heeft het pakket als standaard in de wereld gezet en stelt het, mede omdat het met gemeenschapsgeld ontwikkeld is, gratis ter beschikking. In Nederland is het inmiddels de standaard geworden.
FDS is toepasbaar op het simuleren van brand in elke min of meer besloten ruimte. Uitgaande van een gegeven brandkromme (verloop van het brandvermogen in de tijd) berekent het de uitbreiding van de brand, de ontwikkeling van temperatuur, hittestraling, rookdichtheid en zichtlengte, de temperatuur van de wanden van de ruimte en de energiestroom door openingen in de wanden van de ruimte. Hierbij houdt het rekening met bijvoorbeeld de momenten van activering van detectors en sprinklers en de effecten van spinklers op de brand.
Scenario´s, aspecten en toetscriteria
Movares splitste de twee brandscenario’s (trein en kiosk) in negen typische locaties. Per brandlocatie ging het om het toetsen op de aspecten vluchten en brandbestrijding. En per combinatie van brandlocatie en aspect gold een toetscriterium waaraan het ontwerp moest voldoen om gelijkwaardig aan het Bouwbesluit te kunnen zijn.
Zo kan men nog veilig vluchten bij een temperatuur van maximaal 60 graden, een hittestralingsintensiteit van maximaal 2,5 kW/m2 en een zichtlengte tot lichtgevende voorwerpen van minimaal 30 m. Dit geldt op 2 meter hoogte en gedurende een kwartier vanaf de alarmering. De criteria voor de brandbestrijding zijn iets minder streng, omdat brandweermensen beschermende kleding en perslucht dragen.
FDS in, FDS uit
Input voor FDS is een tekstbestand met alle getallen en verdere gegevens die FDS voor een simulatie nodig heeft: een model van de geometrie en materiaaleigenschappen van het gebouw en de installaties, de omgeving van het gebouw, de omstandigheden, de plaats, omvang en ontwikkeling van de brand en tenslotte de meetpunten (locaties, tijdstippen en te meten fysische grootheden).
FDS verdeelt de ruimte in cellen en de tijd in stapjes en rekent vervolgens per tijdstapje hoe de brand en de rook zich van cel naar cel voortplanten. De output bestaat uit allerlei verschillende bestanden, met daarin ter controle het exacte, op cellen afgeronde model waarmee FDS gerekend heeft èn, waar het natuurlijk uiteindelijk om gaat, de resultaten op de meetpunten.
Modellering: selectie en reductie. Voor het modelleren van de OV-terminal ging het team uit van de ontwerptekeningen. In een tekenprogramma voerden ze deze als achtergrond in. Op basis van een precies inzicht in de werking van FDS en in de stromingsfysica selecteerden ze die onderdelen van de geometrie die voor de simulatie van belang waren en reduceerden ze die tot op het vereiste detailniveau. De onderdelen tekenden ze daarna boven de achtergrond in de vorm van blokken en gaten; dat zijn de vormen die FDS herkent en waar het mee rekent.
Een complex object kan op deze manier tot een eenvoudig blok gereduceerd worden. En een trapgat wordt uiteraard als een gat gemodelleerd. Belangrijk hierbij is dat de blokken en gaten precies aansluiten op de cellen waarin FDS in de rekenfase de ruimte verdeelt. Anders kunnen de werkelijke afmetingen van blokken en gaten na de invoerfase anders worden en de simulatie onbedoeld beïnvloeden. Wolter Hoving, universitair natuurkundige en lid van het simulatieteam: “Vooraf houden we een beschouwing: wat voor cellen gaan we gebruiken en hoe wordt het model na afronding op die cellen?” Deze beschouwing heeft geleid tot het gebruik van cellen variërend van 10 cm x 10 cm x 10 cm tot (voor de grootschalige branden, vanaf een bepaalde afstand van de brand) 1 m x 1 m x 1 m.
Na deze fase volgde de invoer van de overige gegevens. Het team deed dit rechtstreeks in het inputbestand, deels met de hand en deels met behulp van zelf ontwikkelde en geteste scripts (geavanceerde macro’s), waarmee regelmatigheden efficiënt ingevoerd worden. Teamlid Timothy Landman, ook natuurkundige: “De eindverantwoordelijkheid over de input houden we altijd in eigen hand.”
Fijnslijpen met zorg en aandacht
CFD-simulatie is andere koek dan een alledaags spreadsheet. Het inputbestand voor een simulatie voor een gebouw als de OV-terminal heeft een grootte van 9 megabyte en bevat miljoenen getallen. “Het is van belang zo’n inputbestand met zeer veel zorg en aandacht op te stellen”, zegt Hoving, “want het resultaat van een simulatie staat of valt met het inputbestand. Het is dus heel veel fijnslijpen. Er zijn zoveel details waar je op moet letten. Het maken is stap 1 en het controleren is stap 2 tot en met 4. Je moet altijd meer dan 100% achter je input-file staan. Daarom controleert het team alle onderdelen van de invoer samen met de ontwerpers van het gebouw.
In het dak van de hal van de OV-terminal zitten bijvoorbeeld ventilatieluiken. De hoek waaronder de luiken opengaan, is bepalend voor de hoeveelheid rook die er per seconde uit kan. De ontwerper weet dat precies. Groot voordeel hierbij is, dat de ontwerpers collega’s zijn, waardoor het proces van afstemmen en fijnslijpen helemaal intern kan gebeuren en efficiënt is. Dit speelt ook in de ontwerpfase, als ontwerpers met een aanpassing komen. Op die manier hebben we over de geometrie en de materiaaleigenschappen altijd correcte en actuele informatie en hoeven we geen aannamen te doen.”
Externe controle
De OV-terminal is bestemd voor 360.000 reizigers per dag; het belang van brandveiligheid is daarom evident. Tegelijk is het een buitengewoon groot en complex gebouw; daardoor is ook het FDS-inputbestand omvangrijk en ingewikkeld. Deze combinatie stelt aan de CFD-simulatie de allerhoogste eisen van representativiteit en nauwkeurigheid. Als onderdeel van de kwaliteitszorg heeft het team de input door een extern bureau laten controleren. Het bureau, gespecialiseerd in bouwfysica en met veel CFD-ervaring, heeft het inputbestand aan een plausibiliteitstoets onderworpen: zitten er geen gekke dingen in? Hoving: “Op deze manier kun je voorkomen, dat er fouten insluipen die je door projectblindheid zelf niet meer ziet.”
Rekenen
Als het inputbestand klaar is en het team volledig overtuigd is van de correctheid ervan, kan de simulatie, het daadwerkelijke rekenwerk, beginnen. Een algemene kwaliteitsvoorwaarde bij het verrichten van numeriek rekenwerk is de convergentie: het rekenresultaat mag niet afhankelijk zijn van de stapgrootte in het rekenproces. Het team controleerde dit door de berekening met kleinere cellen te herhalen. Het rekenresultaat moest dan globaal genomen gelijk zijn aan de ‘hoofdsimulatie’. In de hoofdsimulatie waren de cellen mede zó gekozen, dat de computers maximaal belast werden; daarom vond de controlesimulatie in een kleiner gebied rondom de brand plaats.
Nabewerking: vertaling naar de opdrachtgever
Na het rekenwerk stonden de uitkomsten in het outputbestand en volgde de nabewerking. Daarbij vertaalde het simulatieteam de outputgetallen naar een vorm van presentatie die het beste bij de te beantwoorden vragen paste. Dit vergde een andere rangschikking van de resultaten en andere grafieken en gebeurt daarom met behulp van in eigen huis ontwikkelde scripts. Door deze automatisering verliep het efficiënter en was de foutkans aanzienlijk kleiner.
Hoving: “Voor veilig vluchten gaat het onder andere om de hittestralingsintensiteit op 2 meter hoogte boven de vluchtroute. We willen dit laten zien vanaf het ontstaan van brand in stappen van 30 seconden tot het eindtijdstip 900 seconden. Met de standaard-outputfaciliteit van FDS kost dat uren werk. Met onze nabewerking genereren we vanuit het FDS-outputbestand via onze scripts precies de juiste plaatjes voor het rapport, met de titels en schalen en zo en de ordening van plaatjes op een bladzijde. Ze kunnen dan zó het rapport in, binnen een paar minuten rekentijd.”
Het maken van de goede plaatjes gaat verder dan alleen presentatie; soms was het een cruciale succesfactor, nodig voor het krijgen van een akkoord van de brandweer. “Kijk, op deze plot uit de standaard-output van FDS hangt ergens boven het vluchtpad een rookpluim. Het ziet er dreigend uit. Als je dat aan de brandweer laat zien, zegt die dat het niet goed is en hebben je opdrachtgever en het ontwerpteam een probleem. Zeggen dat het in de praktijk wel mee zal vallen, helpt dan niet. Maar als je fysisch begrijpt wat er gebeurt, kun je het zicht in de kijkrichting van de vluchters door die rookpluim heen berekenen en het resultaat daarvan in een plaatje zetten. Je simuleert dan wat de vluchters in die situatie ook daadwerkelijk zullen zien. Op het nieuwe plaatje zie je dat er niks aan de hand is, want de absorptie van licht door de rookpluim is veel kleiner dan de standaard-FDS-plot suggereert. We rekenen alles dus om naar de gegevens die er werkelijk toe doen.”
Voor het interpreteren van sommige resultaten deed het team een beroep op andere deskundigen binnen het bedrijf. Op één van de via eigen scripts gegenereerde resultaatgrafieken zijn temperatuurbelastingen van ramen te zien, zowel in meetpunten aan de oppervlakte als in punten op 4 millimeter diepte. Aan de hand hiervan beoordeelde een constructie-expert of het raam heel blijft.
Resultaat: gelijkwaardig, mits…
De nabewerkte output van de CFD-simulatie beschreef het Movares-team in een rapport voor de opdrachtgever. Nieuwenhuizen: “Onze simulatie heeft laten zien dat het ontwerp van de OV-terminal gelijkwaardig aan het Bouwbesluit is, mits aan de onderkant van de huidige, te handhaven vloer van de centrale hal brandwerende bekleding wordt aangebracht. Zonder die bekleding is er een risico dat de vloer bij een grote treinbrand onder het gebouw bezwijkt. Dat heeft te maken met de betondekking op de wapening.” ProRail heeft dit wijzigingsvoorstel overgenomen en het rapport bij de bouwvergunningaanvraag gevoegd. Deze is thans in behandeling bij de gemeente.
Over de rol van de CFD-simulaties in het proces van opstellen van de bouwaanvraag zegt Ruud Stam, veiligheidsmanager OV-terminal bij ProRail: “CFD heeft ons en de brandweer Utrecht inzicht gegeven in het gedrag van het rook en warmte bij brand. Hierdoor hebben beide partijen vertrouwen gekregen in het voldoen aan de eisen uit het Bouwbesluit.”
Tekst: Mark Wijnands
Foto’s: Benthem Crouwel, Movares, ProRail
Film: Movares
Bekijk hier een video van FDS
