FSE met natuurlijke branden – de methode
De standaardbrand houdt uitsluitend rekening met een volledig ontwikkelde brand (compartimentsbrand). De natuurlijke brand kent tevens een groeifase en de dooffase loopt nog door, wanneer het brandbare materiaal vrijwel is opgebrand.
Het temperatuurverloop tijdens een natuurlijk brand is afhankelijk van de specifieke omstandigheden van de ruimte en de brandbare inhoud en wijkt in zekere mate af van de 'standaardbrand'.
Brandvermogensdichtheid en tijdsconstante
In de groeifase (ofwel ontwikkelingsfase) van een brand – wanneer het vluchten van groot belang is – wordt een hoeveelheid energie (en rook) geproduceerd die wordt gekarakteriseerd door de termen brandvermogensdichtheid ('rate of heat release' RHR in W/m2) en tijdsconstante (ta in sec). Deze twee parameters kenmerken het type brand (en de snelheid waarmee het brandvermogen vrijkomt in de ruimte).
De brandvermogensdichtheid is gelijk aan de hoeveelheid energie (warmte) die per m2 vrijkomt, zodra de brand zich op een bepaalde plaats volledig heeft ontwikkeld.
In de groeifase ontwikkelt een brand zich kwadratisch in omvang en vermogen. In de brand (ofwel stationaire) fase wordt de (maximale) brandvermogensdichtheid RHRf bereikt wanneer de brand niet door zuurstofgebrek wordt getemperd (ventilatiebeheerst). In de groeifase is de RHR een functie van (tijd t / tijdsconstante ta)2. Hierbij worden vier ontwikkelingssnelheden van branden onderscheiden: traag (ta = 600 sec.), matig (ta = 300 sec.), snel (ta = 150 sec.) en ultrasnel (ta = 75 sec.).
De tijdsconstante is een maat voor de uitbreidingssnelheid en geeft aan na hoeveel seconden na het begin van de brand op een plaats een vermogen van 1 MW wordt bereikt. Hiervoor bestaan vier snelheden, van traag tot ultrasnel. De duur van de brand wordt onder meer bepaald door de vuurbelasting. Dat is de totale energie die vrijkomt over de gehele brandduur en bij volledige verbranding.
De EN 1991-1-2 geeft voor de verschillende gebouwtypen de vuurbelasting, de brandvermogensdichtheid en de tijdsconstante, die in de berekening moeten worden aangehouden.
Naast deze gebruiksfunctie-specifieke aspecten die een brand bepalen, spelen nog een aantal ruimte-specifieke aspecten een rol: de omvang van de ruimte, de (thermische) eigenschappen van de scheidingsconstructies en de ventilatiecondities (toetreding van zuurstof en afvoer van verbrandingsgassen via openingen (bezweken ramen)).
Zonemodel
Het natuurlijke brandmodel is een zonemodel. Bij aanvang van de brand bestaat het model (naast de brandhaard zelf) uit twee zones: een hete zone boven (die gedurende de brand steeds dikker en warmer wordt) en een koude zone onder.
Op een bepaald moment vindt overgang plaats naar een één-zone model. Dit moment wordt bepaald door de snelheid waarmee de brand zich ontwikkelt en het tijdstip waarop bepaalde condities ('flashover') worden bereikt. Binnen een zone houdt het model één temperatuur, dichtheid, massa, enzovoorts aan.
De formules, gebaseerd op de wetten van behoud van energie en massa uit de thermodynamica, worden in de opeenvolgende tijdstappen opgelost. Hierbij vindt niet alleen uitwisseling tussen en opwarming van de genoemde zones plaats, maar ook met de wanden, plafond en vloer en via openingen (ramen en deuren).
Op deze manier kan een goede, fysisch verantwoorde beschrijving van de brandtemperaturen worden verkregen.
Rekenen met deelrisicofactoren
De EN 1991-1-2 presenteert een methode met deelrisicofactoren, zoals die in Nederland al sinds 1992 bekend is van het berekenen van constructies: vermenigvuldiging van de belastingen en deling van de materiaalsterkten met partiële veiligheidsfactoren.
Bij brand wordt de karakteristieke vuurbelasting vermenigvuldigd met partiële veiligheidsfactoren die rekening houden met de kans van bezwijken van de constructie bij brand. Enerzijds zijn dit factoren groter dan 1 en hebben betrekking op het brandactiveringsrisico (de grootte van de brandruimte en het type gebruik). Anderzijds zijn dit factoren kleiner dan 1 en betreffen dan de actieve brandveiligheidsmaatregelen, zoals een brandblusinstallatie, een brandmeldinstallatie en de beschikbaarheid van een (gemeentelijke of bedrijfs-) brandweer.
De met al deze factoren vermenigvuldigde karakteristieke vuurbelasting geeft een rekenvuurbelasting, die in het model wordt gehanteerd. Het werken met de rekenvuurbelasting tast de zuiverheid van de fysische methode wel aan, maar geeft de mogelijkheid niet-fysische aspecten in de veiligheidsbeschouwing te betrekken.
