Materi Fire Modeling Wahyu Sujatmiko versi 20 11 2012

  

  Oleh:

  

Wahyu Sujatmiko

  (Staf Balai Tata Bangunan Puslitbang Permukiman PU)

  1. Pendahuluan

  Pemodelan dan simulasi kebakaran pada dasarnya mencakup dua aspek pemahaman, yakni:  Dinamika kebakaran (fire dynamics): Studi tentang bagaimana menjelaskan dan mengestimasi pertumbuhan dan intensitas kebakaran. Kebakaran melibatkan reaksi kimia eksotermik antara bahan kombustibel dan oksigen. Terkait dengan hal ini, kondisi fisik bahan bakar dan lingkungan penting untuk diperhatikan. Dinamika kebakaran mencakup: ilmu kimia, perpindahan panas, dan mekanika fluida.

   Teknik keselamatan kebakaran (fire safety engineering = application of engineering): Prinsip-prinsip berdasarkan pengertian dasar dinamika kebakaran untuk menyelamatkan jiwa dan proteksi harta benda.

  Alur pemahaman tertera pada diagram Gambar 1. Berbekal pengetahuan akan fenomena kebakaran, selanjutnya dibuatlah model kebakaran. Pemodelan dan simulasi kebakaran sangat diperlukan karena di satu sisi pengalaman langsung dengan fenomena kebakaran nyata seringkali tidak dimungkinkan baik dari segi bahaya maupun biaya dan di sisi lain tuntutan akan penerapan analisis risiko kebakaran terkait akan kebutuhan rancangan proteksi kebakaran berbasis kinerja maupun dalam rangka proses manajemen risiko kebakaran itu sendiri semakin hari kian meningkat.

  Pemahaman FENOMENA KEBAKARAN MODEL DAN SIMULASI ANALISIS RISIKO KEBAKARAN KEBAKARAN MANAJEMEN RISIKO KEBAKARAN

  Gambar 1. Alur pemahaman pemodelan dan simulasi kebakaran

  2. Kebakaran sebagai sebuah fenomena reaksi fisika dan kimia

  Kebakaran (fire) terjadi karena adanya reaksi pembakaran (combustion), yakni reaksi kimia eksotermik antara bahan dan oksigen. Unsur-unsur yang dibutuhkan dikenal sebagai segitiga api (Gambar 2) dan agar berlangsung menerus perlu unsur ke empat, reaksi rantai sehingga dikenal sebagai tetrahedron api (Gambar 3). Meski membutuhkan oksigen, dalam kasus tertentu reaksi tersebut tidak membutuhkan molekul oksigen, misal campuran potasium perklorat (KClO ) dan polietilen [(C H ) ], sebuah propelan roket, dapat terbakar hebat pada ₁

  4

  2 4 n

Disampaikan pada Sosialisasi Fire Safety Manajemen dalam Menunjang Keselamatan

Kebakaran Bangunan Gedung di Dinas Pemadam Kebakaran DKI tgl 30 November 2012. atmosfir lembam. Karena KClO4 mengandung atom oksigen. Sejumlah reaksi kimia tanpa oksigen dapat pula terbakar dengan nyala pada ketiadaan udara, misal H + Cl » 2HCl, C H

  2

  2

  2

  2

  [asetilen] » 2 C(s) + H 2.

  Gambar 2. Segitiga api atau segitiga bahaya (hazard triangle) Gambar 3. Tetrahedron api

  Rentang peristiwa oksidasi tertera pada Gambar 4 [SA]. Makalah ini tidak membahas eksplosi. Pembakaran bisa merupakan proses yang menghasilkan nyala api (flaming) dan juga tanpa nyala api (nonflaming). Bagaimana Pembakaran itu : berawal, menyebar, dan berhenti? [Friedman].

  Kebakaran Eksplosi Proses Laju propagasi nyala (m/s) Muka tekanan (kPa)

  Kebakaran - api besar (blaze) Sampai 2 Eksplosi : Deflagrasi 0,5 sampai 30 400 sampai 1000

  Eksplosi : Detonasi 1000 sampai 4000 1000 sampai 6000 Gambar 4. Rentang peristiwa oksidasi [SA] Bahan bakar bisa berupa gas, cair, dan padat. Bahan bakar domestik umumnya bahan bakar berbasis karbon, baik gas hidrokarbon sederhana (CH ) maupun padat dengan berat molekul

  4

  tinggi dan kompleksitas kimia besar (polymer). Reaksi kebakaran merupakan reaksi yang terjadi dalam fasa gas seperti tertera pada Gambar 5 [NFPA]. Dengan demikian bahan bakar berbentuk gas akan lebih mudah terbakar dari cair dan padat. Terkait dengan bahan bakar padat, penting untuk diketahui besar rasio massa bahan bakar terhadap oksigen.

  Gambar 5. Reaksi pembakaran berlangsung pada fasa gas [NFPA]

3. Pengertian Pemodelan Kebakaran

  Pengertian menurut bahasa [Oxford]:

Pemodelan (modeling), bisa berarti: 1. aktifitas pembuatan model suatu objek atau 2.

pekerjaan pembuatan deskripsi sederhana suatu sistem atau proses yang dapat dipergunakan untuk menerangkan sesuatu, dst.

  

Model (model), salah satu artinya sebagai kata benda, adalah deskripsi sederhana sebuah

  sistem, dipergunakan untuk menerangkan bagaimana sesuatu itu bekerja atau memperhitungkan apa yang mungkin terjadi, dst.

  

Simulasi (simulation), bisa berarti : 1. situasi yang tersusun atas sekumpulan kondisi tiruan

  yang digunakan untuk mempelajari atau merasakan pengalaman yang ada pada kondisi nyata, atau 2. bertindak seolah-olah bahwa sesuatu adalah nyata ketika hal tersebut sebenarnya tidak nyata. Definisi teknis:

  

ASTM [1996b]: model kebakaran = sebagai suatu gambaran fisis atau matematis dari

pembakaran atau proses lainnya yang berkaitan dengan kebakaran.

NFPA [2000e, 2003]: model kebakaran = suatu pendekatan terstruktur untuk memprediksi

satu atau lebih efek sebuah kebakaran.

SFPE [2000] : model kebakaran = suatu prosedur fisika atau matematika yang terkait dengan

  prinsip-prinsip rekayasa dan ilmiah dalam penganalisaan kebakaran dan efek kebakaran untuk mensimulasi atau memprediksi karakteristik kebakaran dan kondisi lingkungan kebakaran. Pada prinsipnya, model kebakaran dapat dibagi menjadi dua, model fisis dan model matematis sebagaimana tertera pada Gambar 6 [NFPA]. Model kebakaran fisis berupaya mereproduksi fenomena kebakaran dalam suatu situasi fisis yang disederhanakan. Sedangkan

  

model kebakaran matematis adalah himpunan persamaan yang mendiskripsikan perilaku

sistem fisis.

  Model Kebakaran Model Kebakaran Fisis Model Kebakaran Matematis (Model Kebakaran Komputer) Baik model terskala maupun skala penuh Model Deterministik, Model Probabilistik dengan penerapan aturan penskalaan baik model empiris geometrik dan maupun teoritis (prinsip Model jaringan keserupaan pertama) (mekanis, termal, dan kimia) Model sederhana Model statistik

  Model jaringan Model simulasi Model zona Diskrit Model ruang Kontinyu

  Gambar 6 Ragam model kebakaran [NFPA] Macam model kebakaran berdasarkan tahapan pertumbuhan kebakaran tertera pada Gambar 7 [NFPA] dan Gambar 8 [Galea].

  Gambar 7. Ragam model kebakaran mulai dari awal pertumbuhan hingga pasca kebakaran [NFPA]

  Bahan Bakar Kalor Oksidan Penyulutan Geometri Susunan Bahan Lingkungan Ruangan Bakar

  Penyebaran Produk Kebakaran Deteksi Toksisitas Visibilitas Otomatik

  Penghuni Tak Bereaksi Dinas Kebakaran Aksi Fatal Pemadaman Kebakaran Penyelamatan Otomatik / Manual

  Terkendali Tak Terkendali Respon Struktur Bangunan Bertahan Runtuh Padam

  Gambar 8. Ragam model kebakaran mulai dari awal pertumbuhan hingga pasca kebakaran [Galea]

  Simulasi kebakaran pada prinsipnya merupakan aktifitas pemanfaatan model kebakaran untuk tujuan tertentu seperti prediksi pertumbuhan bahaya (salah satunya) dengan menggunakan model kebakaran [NFPA].

  Gambar 9 Contoh aktifitas simulasi [NFPA]

4. Model Pertumbuhan Kebakaran

  Kebakaran dapat dikarakterisasi dalam 4 cara: (1) jenis proses pembakaran, (2) laju pertumbuhan, (3) ventilasi, and (4) tahap kebakaran. Pada Gambar 10 disampaikan tahapan proses kebakaran. Klasifikasi berdasarkan jenis proses pembakaran: (1) pre-combustion, (2) smoldering combustion, and (3) flaming combustion.

  Klasifikasi berdasarkan ventilasi: Kebakaran di udara terbuka atau kebakaran kompartemen pada tahap awal (kelebihan udara) disebut fuel-controlled fire. Jenis lainnya adalah

  

ventilation-controlled fire. Kebakaran tumbuh dalam suatu ruang hunian, baik berbentuk tipe

  koridor maupun persegi panjang yang salah satunya dipengaruhi oleh faktor ventilasi. Terkait dengan faktor ventilasi ini, ruang persegi panjang relatif lebih berbahaya dari ruang koridor dikaitkan dengan laju pertumbuhan kebakaran.

  Gambar 10. Tahapan pertumbuhan kebakaran dalam suatu ruangan [Buchanan] Untuk kebutuhan analisis dan desain proteksi kebakaran berbasis kinerja, yang penting untuk diperhatikan adalah perancangan skenario kebakaran. Skenario kebakaran berarti memasukkan ragam api rancangan (fire design) ke dalam perangkat lunak model kebakaran agar dapat disimulasikan perkiraan pertumbuhan bahaya kebakaran untuk tujuan analisis desain maupun rekonstruksi kebakaran.

  Gambar 11. Skenario kebakaran [NFPA] Api rancangan yang akan dimasukkan sebagai input perangkat lunak model kebakaran umumnya berbentuk suatu kurva laju pelepasan panas (heat release rate). Salah satu tipe

  2

  kurva api adalah kurva api kuadrat (Gambar 12), dengan besar konstanta slow = 0,003 kW/s ,

  2

  

2

  2

medium = 0,0117 kW/s , fast = 0,0469 kW/s , dan ultrafast = 0,1880 kW/s . Contoh kurva

  lain adalah tertera pada Gambar 13 dan apabila bahan kombustibel beragam berlaku prinsip penjumlahan (Gambar 14). Ragam kurva ini dapat ditemukan pada sejumlah standard NFPA seperti NFPA 92A dan 92B untuk sistem pengendalian dan manajemen asap, NFPA 72 untuk sistem deteksi dan alarm kebakaran, juga pada handbook seperti SFPE dan NFPA dan juga buku dan tulisan yang sampaikan oleh V. Brabauskas.

  Gambar 12. Kurva pertumbuhan kebakaran tipe kuadrat terhadap waktu [NFPA]

  Gambar 13. Contoh kurva pertumbuhan kebakaran beragam kursi [NFPA] Gambar 14. Contoh kurva pertumbuhan kebakaran untuk beragam bahan [Klote]

5. Penerapan Pemodelan dan Simulasi Kebakaran

  Penerapan pemodelan dan simulasi kebakaran dapat dikategorikan dua macam, yakni untuk rekonstruksi kejadian kebakaran dan untuk analisis dan desain proteksi kebakaran berbasis kinerja pada suatu bangunan. Terkait dengan analisis dan desain berbasis kinerja, SFPE telah membakukan dalam suatu SFPE Enginering Guide untuk desain proteksi kebakaran berbasis kinerja di mana dalam konsep basis kinerja, persyaratan keselamatan terkait jiwa akan dipenuhi jika RSET (Required Safe Escape Time, waktu yang dibutuhkan untuk menyelamatkan diri) < ASET (Available Safe Escape Time, waktu yang tersedia untuk menyelamatkan diri). Agar pendekatan basis kinerja bisa dilaksanakan, mutlak dibutuhkan perhitungan simulasi komputer.

  Gambar 15. Unsur-unsur yang perlu diperhatikan terkait perancangan skenario kebakaran dalam konteks analisis dan desain berbasis kinerja [NFPA] SFPE telah membakukan risk assessment berdasarkan pendekatan berbasis kinerja. Pada Tabel 1 berikut disampaikan contoh penyusunan kriteria kinerja terkait risk assessment untuk desain proteksi kebakaran berbasis kinerja. Persyaratan kinerja pada Tabel 1 untuk dapat dihitung sangat dibutuhkan perangkat lunak model kebakaran. Dengan demikian salah satu guna model adalah untuk mengaplikasikan peraturan bangunan berbasis kinerja.

  Tabel 1 Contoh perumusan risk assessment mengacu pendekatan berbasis kinerja [SFPE] Tujuan Proteksi Kebakaran Pernyataan Fungsional Persyaratan Kinerja

  Meminimalkan luka-luka Tidak terjadi korban jiwa di Level COHb tidak oleh kebakaran dan korban luar ruangan asal kebakaran melebihi 12 % jiwa sia-sia

  Visibilitas > 7 m Meminimalkan kerusakan Tidak terjadi kerusakan Temperatur lapisan bangunan oleh kebakaran termal yang signifikan pada atas < 200oC ruangan asal kebakaran

  Meminimalkan rugi Waktu berhenti proses HCl < 5 ppm operasional produksi produksi < 8 jam Partikulat < 0,5 g/m3

6. Contoh Praktek Pemodelan dan Simulasi Kebakaran

  Sebagai pengantar, pada kesempatan ini Penulis akan menyampaikan praktek pemodelan kebakaran dengan perangkat lunak Fire Dynamic Simulator (FDS) buatan NIST. FDS merupakan perangkat simulasi Computational Fluid Dyanamics (CDF) dari aliran fluida yang digerakkan oleh panas kebakaran. File input simulasi FDS dirumuskan dalam file text dalam yang akan dihitung dalam software CFD FDS untuk selanjutnya hasil perhitungan dibaca dengan visualisasi SMOKEVIEW.

  Untuk kebutuhan tersebut, diharapkan peserta atau kelompok peserta menyiapkan satu perangkat komputer dengan RAM minimum 1 Ghz dan CPU Pentium IV.

  Gambar 16. Contoh tampilan simulasi pertumbuhan kebakaran dengan FDS [NIST] Gambar 17. Contoh tampilan simulasi evakuasi kebakaran dengan FDS [NIST]

6. Penutup

  

Pada makalah ini telah disampaikan pengertian, prinsip-prinsip pemodelan dan simulasi kebakaran

dan contoh penerapan pemodelan dan simulasi tersebut. Selanjutnya pelatihan ditutup dengan

pelatihan pemodelan dan simulasi kebakaran dengan perangkat lunak Fire Dynamic Simulator dari

NIST.

  Pustaka

   NFPA, Fire Protection Handbook, 2008  SFPE, Fire Engineering Handbook, 2008  Klote, Smoke Management System, 2002.

   Buchanan, Structural Fire Safety, 2008.  SA, Standard Australia, 2000.  NIST, User Manual untuk CFD Fire Dyanamic Simulator, 2008.