In de kern is fire safety engineering gericht op doelgerichte brandveiligheid. Door zorgvuldige overwegingen streven Fire-engineers ernaar brandgevaar te beheersen en veilige brandomstandigheden te bepalen. Indien goed uitgevoerd, kan FSE levens redden en schade aan eigendommen.
Kennisgebieden binnen FSE
Fire Safety Engineering (FSE) is een complex vakgebied dat kennis vereist van een groot aantal disciplines, waaronder brandfysica, rookproductie en -verspreiding, menselijk gedrag bij brand, bouw- en materiaalgedrag, installaties, brandweerinzet, risicobenaderingen, bouwvoorschriften, alsmede modellen en modellering. Brandfysica bestudeert de natuurkundige kenmerken van brand en hoe het zich door verschillende materialen verspreidt. Bij rookproductie wordt begrepen hoe rook ontstaat tijdens een brand en wat de bijbehorende eigenschappen zijn. Mensen vertonen verschillend gedrag wanneer zij geconfronteerd worden met een brandnoodsituatie; daarom moeten Fire-engineers de psychologie erachter begrijpen om redelijke evacuatieplannen te kunnen ontwikkelen. Verder is kennis over het gedrag van bouwmaterialen bij blootstelling aan hoge temperaturen essentieel voor succesvolle FSE-ontwerpen. Ook kennis van installaties zoals brandmeld- en sprinkler- installaties moet aanwezig zijn.
Risicobenaderingen worden door Fire-engineers gebruikt om potentiële gevaren te identificeren die kunnen leiden tot het ontstaan van branden, om het risico ervan preventief te beperken voordat ze zich voordoen. Ten slotte worden modellen en modellering door ingenieurs gebruikt om verschillende scenario’s te simuleren die zich in een reële situatie kunnen voordoen, zodat doeltreffende preventieve maatregelen kunnen worden genomen voordat deze zich voordoen. Kortom, FSE bestrijkt een groot aantal gebieden, waaronder de bovengenoemde, zodat ingenieurs met succes veilige gebouwen en omgevingen voor mensen kunnen ontwerpen.
Brandfysica
De fysica van brand is een essentieel onderdeel van firesafety engineering. Firesafety engineering maakt gebruik van brandfysica om de verspreiding van een brand te begrijpen en te voorspellen, evenals de resulterende warmteoverdracht en vlamkarakteristieken. Warmteoverdracht vindt voornamelijk plaats via straling, geleiding en convectie. Bij stralingswarmteoverdracht wordt energie overgedragen in de vorm van elektromagnetische golven van hete voorwerpen naar koude voorwerpen. Wanneer twee voorwerpen een verschillende temperatuur hebben, vindt geleiding plaats doordat energie wordt overgedragen van het warmere voorwerp naar het koelere voorwerp door direct contact. Convectie transporteert warmte door middel van lucht- of vloeistofstromen over oppervlakken die aan hoge temperaturen zijn blootgesteld.
De intensiteit van een vlam wordt bepaald door de chemische reactie die tijdens de verbranding plaatsvindt. De maximumtemperatuur die door een brandstof-luchtmengsel kan worden bereikt, staat bekend als de adiabatische vlamtemperatuur, die afhankelijk van de stoichiometrie en het brandstoftype tot 3000 °C kan oplopen. De stralingswarmteoverdracht van vlammen hangt af van de golflengte, de grootte van het stralingslichaam, het temperatuurverschil tussen dit lichaam en de omgeving en de waarden van de emissiviteitscoëfficiënt van het stralingslichaam. Deze informatie kan worden berekend met behulp van vergelijkingen zoals de wet van Stefan-Boltzmann (σT^4) of de wet van Planck (εσT^4).
Reken en simulatiemodellen
Zonemodellen
Zonemodellen worden gebruikt voor een breed scala aan doelstellingen. Door te bepalen hoe warm het is in de rooklaag en hoe dik deze rooklaag is, kan worden bepaald of en wanneer: veilig kan worden gevlucht (ASET); de brandweer haar taak kan verrichten binnen het gebouw; secundaire branden kunnen ontstaan; ramen kunnen breken; en dragende constructies kunnen instorten.
Een zonemodelberekening maakt gebruik van behoudswetten, zoals de wet van behoud van massa, energie en stoffelijke/deeltjescomponent. Om precies te bepalen welke omvang en vermogen de brand heeft, evenals hoeveel massa en energie naar de rookpluim wordt aangevoerd via stroming, hoeveel massa en energie uit de rooklaag afgevoerd wordt door openingen in wanden en plafonds of door mechanische afvoerinstallaties, evenals hoeveel warmte er afgevoerd wordt uit de rooklaag door convectieve warmteoverdracht (met daarna geleiding) naar wanden en plafonds – sommige zonemodellen ook berekening van warmteverlies door straling – , helpt het model om temperatuur, volume (dus dikte) en concentraties van stoffelijke component in rook vast te stellen.
Er zijn echter beperking voor het toepassingsgebied bij elk zonemodel: 2-zonemodellen vereisen echter een temperatuurverschil van minimaal 5°C tussen warme- en koude lagen om menging te beperken; hierdoor is het ongeschikt voor ruimtes die vele malen groter zijn dan de brand; ten tweede is het slechts bruikbaar voor situaties waarin er brand bestaat in eenzelfde ruimte als waaruit gevluchte moet worden – dat wil zeggen voordat flash-over optreed – , want na flash-over blijft er slechts één gemengde of grotendeels gemengde laa over. Bovendien is het moeilijk om invloeden mee te nemen als natuurlijke luchstromingen of geïnduceerde luchtskypeling via installaties. Voorts is standaardmodellering gericht op rechthoekige doosvormige ruimtes, wat maak dat schuine plafonds, tussenvloeren etcetera niet meegewogen kunnene wordne bij rekenmodelering met betrekking tot rookontwikkeling.
Computational fluid dynamics
Computational fluid dynamics (CFD) is een tak van de stromingleer die numerieke analyse en gegevensstructuren gebruikt om problemen te analyseren en op te lossen die betrekking hebben op vloeistofstromingen. Computers worden gebruikt om de berekeningen uit te voeren die nodig zijn om de stroom van het vloeistof en de interactie met oppervlakken zoals begrenzingen in kaart te brengen. Met supersnelle supercomputers kunnen betere oplossingen worden verkregen, en vaak is dit nodig om de grootste en meest complexe problemen op te lossen. Doorlopend onderzoek levert software op die de nauwkeurigheid en snelheid van complexe simulatiescenario’s zoals transonische of turbulente stromingen verbetert. De initiële validatie van dergelijke software wordt meestal uitgevoerd met behulp van experimentele apparatuur zoals windtunnels. Daarnaast kan eerder uitgevoerde analytische of empirische analyse van een bepaald probleem ook worden gebruikt als vergelijkingsmateriaal. Een definitieve validatie wordt meestal uitgevoerd door middel van tests op ware grootte, zoals vliegtests.
CFD wordt toegepast op een breed scala aan onderzoeks- en adviesproblemen op vele terreinen, waaronder aerodynamica en luchtspacaanalyse, hypersonisch, weersimulaties, natuur- en milieu-engineering, systeemontwerp voor industrieën, biomedische engineering, vloeistofstromingen en warmteoverdracht, motor- en verbrandingsanalyse, evenals visuele effecten voor films en games.
CFD binnen FSE
Eén CFD model is het meest complete en complexe FSE model dat beschikbaar is om rook- en warmteverspreiding te berekenen. Het biedt ook de meeste details over de condities die optreden tijdens een brandweeractie. Om CFD berekening uit te voeren is echter veel expertise vereist vanuit de gebruiker en er is veel rekenkracht nodig. CFD simulaties word daarom alleen gedaan wanneer simpelere FSE modellen niet voldoende informatie verschaffen.
Doel
CFD berekening wordt gemaakt met verschillende doeleindes. Op basis van de resultaten kan men volgens sectie 13.5 criteria gebruiken om bijvoorbeeld af te leiden of er:
- Ruimtecondities voor vluchten;
- Ruimtecondities voor brandweerinzet;
- Thermische belasting van scheidende en dragende constructies;
Vluchttijdsimulaties
Vluchttijdsimulaties worden steeds belangrijker voor de brandveiligheid, omdat ze een manier bieden om de evacuatie van een gebouw in geval van brand te simuleren. Deze simulaties, zoals Simulex Building-Exodus, worden gebruikt om te beoordelen hoe effectief een het ontwerp is en waar verbeteringen mogelijk zijn.
De simulaties meten hoe lang het duurt voordat mensen het gebouw verlaten in reactie op een alarm of instructie. Door middel van de simulatie kan de gebruiker variabelen beoordelen zoals het aantal beschikbare uitgangen, hoe gemakkelijk mensen erbij kunnen en hoe drukte van invloed is op het vermogen van bewoners om te ontsnappen. Het model houdt ook rekening met factoren als temperatuur, rookinhalatie en paniek onder de bewoners.
Door verschillende scenario’s met verschillende variabelen uit te voeren, krijgen fire-engineers een beter inzicht in hoe veranderingen in een ontwerp de vluchttijd zullen beïnvloeden. Zo kunnen zij hun ontwerpen dienovereenkomstig aanpassen en ervoor zorgen dat de mensen in een noodsituatie het gebouw snel en veilig kunnen verlaten.
brandbeveiligingsinstallaties
Brandbeveiligingsinstallaties vormen een integraal onderdeel van elke FSE benadering. Brandbeveiligingsinstallaties zijn gericht op onderdrukking, preventie en reactie om schade en verlies van levens als gevolg van brand tot een minimum te beperken. Een goed ontworpen systeem omvat bijvoorbeeld componenten zoals sprinklers, branddetectie, alarmering en brandblussers.
Rookmelders worden ook veel gebruikt voor vroegtijdige detectie van brand; indien gekoppeld aan een geschikt alarmeringsysteem kunnen ze mensen snel waarschuwen zodat ze efficiënt kunnen evacueren.
Brandblussers moeten in elk gebouw op gemakkelijk bereikbare plaatsen worden geplaatst, meestal op regelmatige afstanden langs gangen of trappenhuizen. Er zijn verschillende soorten brandblussers, afhankelijk van het beoogde gebruik; sommige zijn specifiek ontworpen voor branden van klasse A (materialen zoals papier of hout), terwijl andere geschikt zijn voor branden van klasse B (brandbare vloeistoffen) of klasse C (elektriciteit). Het is belangrijk mensen weten hoe ze de verschillende soorten blusapparaten op de juiste manier moeten bedienen voordat ze proberen een brand ermee te blussen.
Sprinklerinstallatie
Een sprinklerinstallatie is een actief brandbeschermingssysteem bestaande uit een watervoorziening dat voorziet is van voldoende druk en watervollume naar een leidingsysteem, waaraan sprinklers worden aangesloten. Hoewel vroeger alleen gebruikt in fabrieken en grote commerciële gebouwen, zijn er tegenwoordig ook systemen beschikbaar voor kleinere gebouwen. Sprinklerinstallaties worden wereldwijd veelvuldig gebruikt, zo is er jaarlijks meer dan 40 miljoen sprinklers geplaatst. Hoewel de sprinklerinstallatie niet ontworpen is om het gebouw te beschermen, werd 96% van de gevallen bij een brand uitsluitend door sprinklers bedwongen.
Toepassing
Sprinklers zijn sinds 1874 in de Verenigde Staten in gebruik, vooral in industriele omgeving waar branden tijdens de 19e eeuw vaak catastrofaal waren wat betreft mensen- en materiële verliezen. Tegenwoordig wordt de installatie verplicht in Verenigde Staten bij alle nieuwbouw boven 23m ten opzichte van toegang. In Nederlandse wetgeving kent men weinig regels rondom het plaatsen van sprinklerinstallaties in utiliteitsbouw.
Professionele verantwoordelijkheid
Naarmate het vakgebied van Fire Safety Engineering zich verder ontwikkelt, nemen ook de verwachtingen ten aanzien van professionele verantwoordelijkheid binnen het beroep toe. Om aan deze verwachtingen te voldoen, moeten specialisten beter worden geschoold in een zich voortdurend ontwikkelende hoeveelheid kennis die een breed scala aan disciplines omvat.
Professionele verantwoordelijkheid vereist ook dat FSE’s zich houden aan ethische principes. Dit houdt in dat zij in alle communicatie met klanten accuraat en eerlijk moeten zijn, objectief advies moeten geven, dossiers moeten bijhouden, mogelijke belangenconflicten bekend moeten maken en zo nodig advies moeten inwinnen bij ervaren collega’s. Bovendien is voortdurende bijscholing essentieel voor FSE’s om up-to-date te blijven in het vakgebied door het bijwonen van seminars, workshops of cursussen van gevestigde organisaties zoals NIPV en Brandpreventie Academy.
Al deze stappen moeten tezamen worden genomen, zodat Fire-engineers op professionele wijze diensten kunnen leveren waar zij volledig achter kunnen staan en tegelijkertijd het vertrouwen hebben dat hun werk zal bijdragen aan een grotere veiligheid voor mensen wereldwijd.