För att kunna besvara frågeställningarna tillämpades programmet FDS och PFS. Detta visas schematiskt i figur 7, som består av 4 olika delar.
Kravställningar enligt BBR samt ytterligare förutsättningar redogörs under kapitlet teori. Utöver det bygger studien på ett befintligt projekt erhållet av Säkerhetspartner Norden AB. Dessa förutsättningar tas vidare i hänsyn när applicering mot FDS sker. I datasimuleringen av FDS beräknas denna data utifrån två olika scenarion, Fast-brand och Slow- brand. Den mätdata som är av den främsta relevansen är brandtrycket samt brandgastemperaturen som vidare tillämpas i PFS för flödesberäkningar. PFS beräkningarna grundar sig främst på tre scenarion, tillämpning utan någon form av brandteknisk installation, med injusteringsspjäll samt med en ökad kapacitet för tilluften. Detta innebär att vi slutligen erhåller ett resultat, i form av en total brandgasspridning för samtliga, tre tidigare ventilationstekniska lösningar.
Figur 7: Flödesschema över metod
Till- och frånluftens utformning i FDS-simuleringarna togs fram med hjälp av PFS genom tidigare erhållna värden på brandgastemperaturen vid olika tryck från en tidigare FDS-körning.
3.2.1 FDS- modellering
För att arbetet resultat ska vara av högsta relevans har ett typiskt hotellrum studerats. Dimensionerna och utformningen av rummet är hämtat från ett verkligt exempel som erhållits via konsultföretaget Säkerhetspartner Norden AB, se figur 8. Målet med moduleringen är att erhålla så pass korrekta och realistiska värden på framförallt brandtrycket och
Figur 8: Rum i hotellmiljö
3.2.1.1 Rummets dimensioner och material
Rummet dimensioner uppmättes genom datorverktyg till 4,8x6.0x2,4 meter. I rummets ena hörn har även ett utrymme för toalett upprättats på 2,4x1,8 meter, med en öppning som är 0,9meter bredd och 2 meter hög som ska likställas med en helt öppen dörr. Gridcellsstorleken som tillämpats för att konstruera rummet bestämdes till 4 cm. Storleken är den minsta möjliga som har kunnat tillämpats för att ge det mest exakta resultatet.
Material på väggar, golv och tak består av två 13 mm gipsväggar med densiteten 930 kg/m3, specifika värmekapaciteten 1,09 kJ/kgK och konduktiviteten 0,17 w/mK. Dessa värden är tagna utifrån Pyrosims bibliotek med olika material.
Figur 9: Pyrosim modell över rummet
3.2.1.2 Brandens utformning
Enligt avsnitt 4.2.2.1 i BBRAD 3 (BFS 2013:12) som beskriver hur brandförloppet bör se ut vid analytisk dimensionering av ventilationstekniskt brandskydd bör det tidiga brandförloppets tillväxthastighet motsvara 0,047 kW/s2, alltså en Fast-brand. För att få ett mer utförligt och brett resultat har två tillväxthastigheter försökt att efterliknas vid FDS försöken, Slow och Fast. Detta motsvarar en tillväxtkoefficient på 0,0029 kW/s2 och 0,047 kW/s2.
När branden modulerades nyttjades kommandot FIRE_SPREAD, varav brandens area ökar stegvis. Denna beräknas med hjälp av tillväxtkoefficienten och HRRPUA (maxeffekten per kvadratmeter). För att få en rimlig brand som imiterar respektive t2-fire sattes värdena på branden enligt tabell 6:
Tabell 6: Sammanställning av grundläggande parametrar för brandens utformning
Simulering Brand Brandtillväxtkoefficient, α HRRPUA SPREAD_RATE Maximal
brandarea Maximalbrandeffekt
Försök 1 Fast 0.047 kW/s2 1000 kW/ m2 0.003867 m/s 0.49 m2 490 kW
Försök 2 Slow 0.0029 kW/s2 1000 kW/ m2 0.0009608 m/s 0.49 m2 490 kW
Se bilaga 3 för beräkning av maximal brandeffekt och bilaga 4 för beräkning av SPREAD_RATE. Det är SPREAD_RATE värdet som avgör hur snabbt brandförloppet blir. Eftersom branden aldrig kommer nå sin maximala effekt på 490 kW på grund ut av att sprinklern begränsar branden sattes detta värde ganska lågt för att ge FDS bättre förutsättningar att beräkna branden.
För att få ett trovärdiga slutsatser har brandens placering bestämts utifrån ett rimligt och troligtvis värsta tänkbara scenario. Branden startar nere i högra hörnet, se figur 9, där sängen troligtvis hade stått i ett typiskt hotellrum. Sängar består av mycket brännbart material och kan ge upphov till ett snabbt brandförlopp samt att det är ett relativt vanligt startföremål. Därav valdes det till startföremål. Eftersom badrum i hotell generellt har låg brandbelastning och väldigt bra ytskikt förväntas inte branden starta där vilket annars hade kunnat vara ett tänkbart värsta scenario.
Bränslet som brinner i FDS-simuleringen har utformats efter BIV:s tillämpningsdokument om CFD beräkningar med FDS (2013) där bränslet har den kemiska sammansättningen 4,56 kolatomer, 6,56 väteatomer, 2,34 syreatomer och 0,4 kväveatomer. Denna kemiska komposition ska motsvara förbränningsvärmen 19,8 MJ/kg vilket är ungefär 20 MJ/kg som angivit i avsnitt 3.3.4 i BBRAD för tillämpbara brandscenarion i hotell vid analytisk dimensionering (BFS, 2013:12). Soot-yielden och CO-yielden sattes båda till 0,1g/g enligt BRRAD3 avsnitt 3.3.4 (BFS 2013:2). Soot- och CO-yielden avgör vilken mängd sot och koldioxid som produceras per gram förbränt bränsle.
3.2.1.3 Sprinkler
Sprinklern antogs sitta i mitten av rummet för bästa täckningsgrad. Två stycken olika fall studerades, en med aktiveringstemperaturen 57 C° (orange bulb) och en med 68 C° (röd bulb). I försöken simulerades aktiveringen med hjälp av ett termoelement, med tröghetsvärdet 50 RTI som placerad i mitten av rummet, en decimeter ner från taket. När termoelementet uppmätte respektive aktiveringstemperatur förväntades sprinkler aktivera.
Vid aktivering fodras temperaturerna på brandgaserna begränsas till rådande förhållanden. Brandens effekt förväntas avta enligt Madrzykowskis och Vettoris ekvation (ekvation 2). Brandtrycket antogs minska till det värdet som det hade vid en viss brandeffekt under uppbyggnaden av branden vid beräkning av brandspridningen efter sprinkleraktivering. Brandtrycket antogs alltså vara proportionerligt och direkt kopplat till brandeffekten.
Detta medför att de eventuella brandgaser som fortfarande finns i rummet och bidrar till brandgasspridningen även kommer att beaktas. Detta tills dess att tryckskillnaden mot tilluftskanalen återgår till att flödet åter riktas mot brandrummet.
3.2.1.4 Läckage och ventilation
Det läckage som tillämpas för modellen består av en öppning på 105 cm2, beräknad enligt ekvation 3, se bilaga 1. Läckagearean är placerad vid golvnivå, i motsatt hörn gentemot brandens placering för att motverka att trycket inte påverkas genom att eventuella heta brandgaser passerar ut. Läckagets exakta placering kan ses enligt figur 10.
En fläkt har placerats ut i taket som motsvarar både till- och frånluften inom rummet, se figur 10 för placering. Vid normalläget trycks 25 l/s in och 25 l/s sugs
ut därav (eftersom det är främst trycket som är intressant) börjar fläkten på noll. När trycket stiger inne rummet till följd av branden ökar frånluften och tilluften avtar. Vid händelse av brand ökar även frånluftsfläktens kapacitet för att ge tryckavlastning vilket utgör en del av utformningen i fläktar i driftlösning. Därför har fläkten anpassats efter tryckhöjningen i rummet utifrån värden givna i PFS-körningar där detta beaktas, för mer detaljer se avsnitt 4.1.1bestämning av fläkt till FDS. Följande fläkt utformades, se figur 11.
Figur 11: Fläkt som nyttjas i FDS och motsvarar till- och frånluft.
Eftersom programmet var anpassat till en tryckminskning, anges tryckförändringen negativt. Tryckförändringen anges i Pa och flödet anges i m3/s (varav exempelvis 0,035 m3/s motsvarar 35 l/s). För att eliminera vissa osäkerheter valdes något lägre värden på frånluftflöden, lägre flöde ut ur rummet kommer att innebära ett högre brandtryck.
3.2.1.5 Mätpunkter
För att få ut mätdata från FDS-försöken måste detta specificeras i indatafilen. Det finns en hel uppsjö av data som kan fås ut vid en simulering men för denna studie är det främst trycket som är intressant och mer specifikt trycket vid tilluftsdonet samt temperaturen på brandgaserna som är intressant. Dessa parametrar behövs vid PFS-beräkningarna. En tryck- och temperaturmätare har satts där tilluftsdonet i rummet antas sitta, se figur 12. Den temperatur som uppmätts vid tilluftsdonet är den temperatur som brandgaserna som sprider sig via ventilationssystemet förväntas ha.
Figur 12: Placering av tryckmätare
För att säkerställa att branden beter sig rätt har även ett antal kontrollmätpunkter i form av brandgashöjden position, syremätare samt flertalet temperaturmätare placerats ut.
3.2.2 PFS
För att kunna bestämma flödet inom ventilationen nyttjades programmet PFS. Med hjälp av befintliga PFS-modelleringar utav ventilationssystemet i byggnaden studien utgår från matades resultatet från FDS-försöken in. Först nyttjades en PFS-fil där endast ventilationen i en brandcell studeras eftersom den var lättare att anpassa, där antogs all brandgasspridning nå ett rum.
Figur 13: Översikt PFS, en brandcell.
Figur 13 visar hur ett rum i PFS kan se ut, det rör som är definierat som T25 är tilluften, F25 är frånluften och röret neråt representerar läckaget. Numret 17 specificerar vilket rum det är, i detta fall är branden kopplat till det numret.
I nästa steg användes den större moduleringen där ventilationssystemet för samtliga brandceller beaktas, se figur 14. Det rum som studeras är rum nummer 7 som ligger näst längst bort i korridoren och således även i ventilationssystemet. Det utgör det värsta rummet ur ett brandgasspridningsperspektiv.
Figur 14: Översikt PFS, fler brandceller.
Figur 14 visar flera rum i PFS, de rör som är definierat som T25 är tilluften, F25 är frånluften och röret neråt representerar läckaget.
Den största skillnaden mellan de olika spridningsförutsättningarna är att brandgasflödet minskar i det fall då det har möjlighet att spridas till fler än en och samma brandcell. Detta innebär ett fördelaktigt resultat med hänsyn till kravet på att spridningen till mottagande brandcell inte får överstiga 1% av dess volym.
Tidigt under studien upptäcktes det att utan ytterligare ventilationstekniska hjälpmedel kommer spridningen att bli för stor, därför har två lösningar undersökts. Den första lösningen är att med hjälp av injusteringsspjäll minska spridningen via tilluftskanalen och den andra lösningen är att tilluftsfläktens kapacitet ökar markant vid händelse av brand för att uppnå samma ändamål. Lösningarna har tillämpats med hjälp av PFS.
3.2.2.1 Injusteringsspjäll
Flödet i tilluftskanalen kan begränsas med hjälp av ett injusteringspjäll. Detta testades att simuleras med två olika inställningar, en med 75 Pa tryckavlastning vid 25 l/s och en med 200 Pa tryckavlastning vid 25 l/s. Tillsammans med det 50 Pa tryckfall vid tilluftsdonet blir det totala tryckavlastningen 125 respektive 250 Pa för tilluften vilket innebär att brandtrycket måste övervinna ett högre motstånd innan flödet vänder samt att spridningen därefter även blir lägre.
3.2.2.2 Ökad kapacitet på tilluftsfläkt
Genom att öka kapacitet på tilluftsfläkten markant vid händelse av brand kommer det krävas ett högre brandtryck för att brandgaser ska kunna sprida sig via tilluftskanalen. När tilluftsfläkten verkan ökar kommer flödet in rummen den förser öka och således även trycket vid tilluftsdonet. Detta innebär att brandtrycket måste bli högre innan flödet i tilluften vänder vilket medför att spridningen kommer bli lägre.
4 Resultat
Nedan presenteras det resultat som erhållits av samtliga simuleringar och beräkningars som tagits fram för att svara på rapportens frågeställningar.