Bosbranden ook slecht beheersbaar op het computerscherm

Grote bosbranden zoals die in Oakland hebben nog eens de noodzaak van gerichte brandveiligheidsmaatregelen aangetoond. Maar kunnen grote bosbranden voorspeld of zelfs maar in kaart worden gebracht?

Over de oorzaak van de brand in Oakland is inmiddels voldoende bekend: extreme droogte en een draaiende wind die nog meer warme lucht aanvoerde. Andere bosbranden zoals die op Borneo en bij Sydney in Australië zouden kunnen samenhangen met het El Niño-verschijnsel, periodieke klimaatveranderingen waarvoor nog geen duidelijke verklaring is gevonden. Door houtkap zijn de bossen bovendien extra kwetsbaar geworden.

"We moeten absoluut meer weten van bosbranden willen we ze effectief kunnen bestrijden,' zegt professor Fred Lockwood van Imperial College in Londen. Lockwood wil, na ruime ervaring met onderzoek naar branden in gebouwen voorspellingsmodellen ontwikkelen voor bosbranden.

De laatste jaren wordt er in de bouw steeds vaker gewerkt met computersimulatietechnieken die in andere vakgebieden hun sporen hebben verdiend. Met behulp van "veldmodellen' kunnen gedetailleerde voorspellingen worden verkregen van de ontwikkeling van een brand en van de verspreiding van verbrandingsprodukten als rook door gebouwen.

Grote open ruimten

De brandveiligheid in gebouwen wordt steeds complexer door de bouw van grotere open ruimten (atrium) en de toepassing van nieuwe materialen. Ook wil men de rookverspreiding in gebouwen en tunnels beperken. Oude regels voor de analyse van de brandveiligheid zijn daardoor minder bruikbaar geworden. "Met computermodellen gaan we na hoe de brand en de rookverspreiding verloopt en hoe we deze processen kunnen benvloeden,' zegt ir. L. Twilt, hoofd van het Centrum voor Brandveiligheid van TNO.

Integratie van experimentele en theoretische studies stelt het centrum in staat te adviseren over het brandveilig ontwerpen van gebouwen, het gebruik van constructies en over (Europese) regelgeving. Het werkterrein strekt zich over een zeer breed gebied uit: men bestudeert onder meer het brandgedrag van bouwmaterialen, inventarisgoederen en constructie-onderdelen, maar ook de rookverspreiding in gebouwen. In ovens worden constructie-onderdelen als vloeren en wanden op ware grootte onder brandomstandigheden beproefd.

Al in 1985 begon het centrum met financiële steun van de Stichting Bouw Research Rotterdam (SBR) en van de Directie Brandweer van het Ministerie van Binnenlandse Zaken een uitgebreide studie naar de toepasbaarheid van computermodellen. Voor brandvoorspellingen worden verschillende methoden gebruikt: de eenvoudigste zijn de op sterk vereenvoudigde fysische relaties gebaseerde vuistregels. Zo bestaat er een direct verband tussen de veilige onderlinge afstand van gebouwen en het stralingsoppervlak van de brand.

Al wat ingewikkelder zijn de zogenaamde zônemodellen: hierbij wordt de brandruimte in een aantal zones verdeeld (brandhaard, rooklaag, verse lucht, wanden) en het verloop van de optredende warmte- en massastromen in de tijd berekend. Hierdoor kan bijvoorbeeld worden nagegaan wat de invloed is van ventilatie en isolatie op het brandverloop.

Aan deze modellen kleven wel bezwaren: voor de berekening van kleine branden in grote ruimten zijn zij minder geschikt. Dat komt omdat men uitgaat van slechts één temperatuur en rookdichtheid per zone en het aantal zones bovendien niet erg uitgebreid is (hooguit drie). Veldmodellen, beter bekend als Computational Fluid Dynamics (CFD), zijn veel nauwkeuriger. Het zijn computerrekenmodellen voor de beschrijving van turbulente stromingen, waaraan men een aantal specifieke verschijnselen heeft toegevoegd zoals convectieve warmteoverdracht aan wanden, warmtestralingsuitwisseling tussen wanden en gassen en verbranding in de gasfase.

De modellen, die al enkele jaren worden toegepast in de meteorologie, de ventilatietechniek en de waterbouw, verdelen de brandruimte in 500 tot 100.000 individuele blokken of cellen. Vorm en afmetingen van de ruimte (het rekendomein) en de randvoorwaarden, zoals de aanwezigheid van openingen en de dikte- en warmte-eigenschappen van wanden, moeten in de berekeningen worden meegenomen. In de cellen treden veranderingen op gebaseerd op de wetten van behoud van impuls, behoud van thermische energie en behoud van massa.

"Het gaat bij deze modellen vooral om de balans tussen die cellen,' legt ir. P.H.E. van de Leur van TNO uit. "Zo zal de temperatuur van de ene cel die van de andere benvloeden. Het verloop van deze veranderingen is goed te voorspellen en kan in kleine tijdstappen worden gevolgd.'

Pyrolyse

In de modellen kijkt men onder meer naar verschijnselen als pyrolyse (verassing zonder vuur, waarbij brandbare gassen vrijkomen) aan het oppervlak van bijvoorbeeld gloeiend brandbaar materiaal, het verbruik van de zuurstof uit de aanwezige lucht en de verspreiding van verbrandingsprodukten onder invloed van drukverschillen. Zo brengt de dichtheidsverlaging in vlammen automatisch een stroming op gang: koude lucht wordt naar de brandhaard toegezogen, terwijl hete gassen van de brandhaard worden weggedreven. Een andere belangrijke factor is turbulentie. De concentratie van rook kan uit een zogenaamde diffusievergelijking worden berekend.

Ook deze toepassing kent beperkingen: scheve vlakken of ronde vormen kunnen niet goed worden beschreven. Dat geldt ook voor de invloed van blusinstallaties en situaties waarbij onverbrande gassen in de stroming worden meegevoerd en elders alsnog verbranden omdat daar meer zuurstof aanwezig is. Ook zijn er beperkingen die door de computer worden opgelegd: des te meer gegevens in het model worden gestopt, des te langer er gerekend moet worden.

Bij TNO is gerekend aan tunnelbranden. De beschrijving van een brand van 30 minuten kostte drie weken onafgebroken rekenen. "In de praktijk reken je vaak met minder cellen dan nodig zou zijn,' zegt Van de Leur.

Op dit moment worden de modellen vooral gebruikt voor de beschrijving van algemene situaties. Zo heeft TNO in opdracht van Rijkswaterstaat een studie uitgevoerd naar de gevolgen van een eventuele brand in verkeerstunnels, dit in verband met de installatie van ventilatiesystemen. "Bij dergelijke voorspellingen gaat het niet om een exacte beschrijving,' zegt ir. L. Twilt. "Je kunt een brand niet tot in graden Celsius nauwkeurig nabootsen. Je probeert belangrijke parameters op het spoor te komen die je uit praktijkgevallen of uit proefbranden niet zo makkelijk kunt destilleren. Oude rekenmodellen gaan per definitie uit van een volledig ontwikkelde brand in de gehele ruimte. Op basis daarvan wordt bijvoorbeeld brandwerende bekleding op staalconstructies ontworpen. De nieuwe modellen zijn veel realistischer. Je kunt daarmee uitzoeken welke invloed bijvoorbeeld isolatie van huizen heeft op de brandveiligheid. Een andere toepassing is het op de juiste plaats aanbrengen van rookmelders in grote ruimten.' Overigens wordt geen rekenmodel zomaar voor lief genomen. Validatie van rekenmodellen is volgens Twilt dan ook van het grootste belang.

Vlamoverslag

Rekenmodellen aanpassen voor bosbranden is theoretisch mogelijk, maar de beschrijvingen en de berekeningen zullen een stuk lastiger zijn, zegt Fred Lockwood van Imperial College Londen. Lockwood vermoedt dat bij bosbranden een fenomeen is betrokken dat men tot nu toe alleen kent bij branden in afgesloten ruimten: vlamoverslag. Als gevolg van aanstraling en temperatuurstijging kan de brand plotseling "overspringen' op ander brandbaar materiaal, waardoor een explosieve ontwikkeling in gang wordt gezet. Een filmpje van TNO Bouw maakt dat nog eens duidelijk: in een prullenmand in een afgesloten kamer wordt een vuurtje aangestoken. Al vrij snel begint de kamer zich met rook te vullen. De temperatuur wordt uiteindelijk zo hoog dat ook andere voorwerpen in de kamer "spontaan' vlam vatten.

Vlamoverslag was een van de belangrijkste oorzaken van het hoge aantal slachtoffers van de brand in het Londense metrostation King's Cross in 1987: een brand die in een lift was begonnen had in nauwelijks 16 minuten via roltrappen en gangen de toegangshal bereikt. "Zonder die explosieve situatie zou de brand zich niet zo snel hebben verspreid,' zegt Lockwood, die de brand van het metrostation met schaalmodellen heeft nagebootst. "Ooggetuigen zagen vlammen die niet erg gevaarlijk leken, maar die plotseling dichtbij kwamen. Zodra vlammen even hoog worden als jijzelf, kun je het beter op een lopen zetten.' In bosbranden zou vlamoverslag ontstaan doordat de vuurzee zich over de boomtoppen buigt en zo het struikgewas aanstraalt.

Lockwood hoopt de computermodellen waarmee vlamoverslagtijden in gebouwen worden berekend voor bosbranden aan te passen. Ook wil de hoogleraar, in het kader van een Europees project waarin wordt samengewerkt met wetenschappers uit Griekenland en Portugal, bosbranden in het gebied van de Middellandse Zee met behulp van veldmodellen reconstrueren.

"We zullen die branden alleen maar in grote lijnen kunnen beschrijven,' zegt Lockwood. "Een bruikbaar model gaat uit van een gebied van hooguit een vierkante kilometer. Grotere simulaties vergen nu eenmaal te veel rekentijd.' Toekomstige modellen zouden volgens Lockwood zowel voor brandbestrijding als brandpreventie gebruikt kunnen worden. Bij de aanleg van bos zou al met eventuele brandrisico's rekening kunnen worden gehouden en in het geval van een echte brand zou men het verloop ervan heel goed kunnen voorspellen.

"De beschrijving van een tunnelbrand van dertig minuten kostte de computer drie weken onafgebroken rekenen'