PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA
JUDUL PROGRAM
PERANCANGAN PENGENDALIAN ASAP KEBAKARAN PADA BANGUNAN BERTINGKAT BERBASIS SISTEM PRESURISASI
TANGGA DARURAT DAN SMOKE STOP AREA UNTUK MEMUDAHKAN PROSES EVAKUASI
Bidang Kegiatan: PKM-ARTIKEL ILMIAH
Diusulkan oleh:
Petra Elang Pradana, 1106023096 (Teknik Perkapalan/2011)
Ali Abdurrahman Sungkar, 0906631036 (Teknik Mesin/2009)
Sudarman, 0906512356 (Teknik Mesin/2009)
Muhammad Taufiq Ramadhan, 0906631313 (Teknik Mesin/2009)
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK
PERANCANGAN PENGENDALIAN ASAP KEBAKARAN PADA BANGUNAN BERTINGKAT BERBASIS SISTEM PRESURISASI
TANGGA DARURAT DAN SMOKE STOP AREA UNTUK MEMUDAHKAN PROSES EVAKUASI
Petra Elang Pradana, Ali A. Sungkar, Sudarman, M. Taufiq Ramadhan Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia
Kampus UI Depok, 16424
ABSTRAK
Keamanan terhadap kebakaran adalah faktor penting dalam mendesain gedung bertingkat. Asap dari kebakaran, dikenal sebagai pembunuh utama korban kebakaran. Didalam kebakaran, api menghasilkan asap dan panas. Jumlah asap yang dihasilkan adalah hasil dari reaksi kimia pembakaran material-material yang ada di gedung itu sendiri dimana sekarang material interior gedung kebanyakan menggunakan plastik dan cellulose. Tangga darurat dan sistem presurisasi adalah komponen yang sangat penting yang disebut sebagai jalur evakuasi di kebanyakan gedung dan sangat efektif didalam pengoperasiannya untuk mengisolasi asap kebakaran agar tidak menyebar sampai jalur evakuasi karena jalur evakuasi adalah satu-satunya tempat sebagai penentu hidup dan matinya korban didalam kebakaran. Sistem ini menerapkan perbedaan tekanan pada ruangan tangga darurat dan daerah yang timbul asap saat kebakaran terjadi. Tekanan yang berbeda disebabkan oleh dua saluran pada gedung. Saluran yang terhubung diluar tangga darurat berfungsi membuang asap yang timbul, sedangkan saluran yang terhubung pada tangga darurat berfungsi untuk menjaga tekanan dalam ruangan tangga darurat agar tetap lebih besar dari ruangan diluarnya. Tujuan pembuatan alat ini adalah mengaplikasikan desain sistem pengendali asap kebakaran dengan prinsip presurisasi evakuasi tangga darurat untuk kebutuhan proses keselamatan kebakaran pada gedung bertingkat tinggi secara efektif dan tepat guna. Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi perangkat lunak Fire Dynamics Simulator (FDS 5.0). Melalui metode simulasi, desain ini dapat mencegah asap untuk masuk ke tangga darurat baik saat pintu darurat ditutup maupun dibuka dalam jangka waktu yang memungkinkan seseorang untuk evakuasi.
Kata kunci: sistem presurisasi, asap kebakaran, jalur evakuasi, area bebas asap
ABSTRACT
are connected outside of emergency staircase, the function are to discharging smoke arising, meanwhile the channels are connected to the emergency staircase serves to maintain the pressure in the emergency stairwell to remain greater than the space outside it.
The purpose of making this tool is to apply the the system design of fire smoke control with the principle of emergency stairwell pressurizations for evacuation and the fire safety in high buildings in an effective and appropriate manner. The research method used in this research by the software simulation, Fire Dynamics Simulator (FDS 5.0). By the simulation, the design can be prevent the smoke for keep away from emergency stairwell in opened or closed emergency doors in the time which someone can evacuation himself.
Word keys: presurisation system, fire smoke, egress analysis, smoke stop area
PENDAHULUAN
Dalam beberapa tahun terakhir, terdapat peningkatan jumlah pembangunan gedung-gedung bertingkat di kota-kota besar baik di negara maju maupun di negara-negara berkembang seperti Indonesia. Konstruksi bangunan bertingkat tidak hanya untuk memenuhi kebutuhan tempat tinggal, tetapi juga sebagai tanda terjadinya peningkatan ekonomi. Tidak heran jika banyak negara membangun bangunan bertingkat sebagai ikon prestasi negara tersebut. Pembangunan gedung-gedung bertingkat harus memperhatikan banyak faktor, salah satunya adalah teknologi keselamatan kebakaran.
Lemahnya penerapan keselamatan kebakaran memiliki dampak yang besar terhadap hilangnya nyawa korban kebakaran. Belakangan diketahui bahwa asap kebakaran mengandung banyak racun seperti gas CO, CO2, HCN, Akrolin, HCL
dan sebagainya sehingga penyebab utama kematian dalam peristiwa kebakaran. Dengan demikian, sebuah bangunan bertingkat tinggi harus memiliki sistem kontrol asap untuk keadaan darurat. Sistem kontrol asap dapat membatasi penyebaran asap ke berbagai ruangan di gedung secara efektif [ASHRAE (2007), Wild, JA (1998)].
Tangga darurat di dalam gedung bertingkat sebaiknya memiliki sistem bertekanan karena merupakan bagian yang sangat penting untuk evakuasi jika terjadi kebakaran. Pada prinsipnya, sistem presurisasi ini, memberikan perbedaan tekanan udara dari tangga ke ruangan lain di gedung. Metode ini dirancang untuk mengontrol gerakan asap untuk menghindari masuknya asap ke tangga darurat. Penelitian ini mengombinasikan permodelan simulasi berdasarkan kondisi aktual menggunakan Fire Dynamic Simulator (FDS versi 5) [McGrattan, et al, (2010b)] dan penmgujian menggunakan prototipe Smoke Venting Demonstration Apparatus. Melalui perbandingan hasil eksperimen dan simulasi akan memberikan pemahaman yang lebih baik terhadap hasil yang diperoleh.
TUJUAN
Penulisan artikel ilmiah ini bertujuan untuk
a. Mengaplikasikan desain sistem pengendali asap kebakaran dengan prinsip presurisasi tangga darurat untuk kebutuhan proses keselamatan kebakaran pada gedung bertingkat tinggi secara efektif dan tepat guna.
b. Memaparkan aspek keselamatan kebakaran terpadu dalam upaya meminimalisasi kerugian dan adanya korban yang terjadi saat kebakaran.
METODE PENELITIAN
Perkembangan asap pada api yang ditunjuk scenariowas disimulasikan dengan menggunakan CFD software Api Versi Simulator Dinamis 5 (FDS5) yang dikembangkan oleh NIST (National Institute of Standar dan Teknologi). Penjelasan rinci tentang FDS dapat dilihat dalam referensi [McGrattan et al., (2010a dan 2010b)]. Sebelum tahap eksperimental, pergerakan api dan asap disimulasikan dengan menggunakan Fire Dynamic Simulator versi 5 (FDS5).
Simulasi ini dilakukan untuk mempelajari pengaruh parameter operasi sistem presurisasi pada penyebaran asap ke daerah tangga. Untuk simulasi kebakaran, digunakan ukuran sebenarnya gedung bertingkat. Bangunan ini terdiri dari 10 lantai dengan total ketinggian 42 meter. Selama kebakaran, dua pintu darurat akan dibuka, satu di lantai kebakaran dan pintu keluar di lantai pertama. Diberikan sebuah sumber api dengan 2 MW HRR untuk mengetahui ketebalan asap dan visibilitas dengan dan tanpa kipas untuk memberikan tekanan. Operasi parameter lainnya dipelajari meliputi pengaruh jumlah pintu terbuka. Kemudian akan diberi variasi sebagai berikut:
1. Satu pintu darurat terbuka di lantai tempat kebakaran
2. Dua pintu terbuka di lantai tempat kebakaran dan pintu keluar di lantai pertama
3. Tiga pintu terbuka di lantai tempat kebakaran, pintu keluar, dan satu pintu di sembarang lantai
Domain
Dalam simulasi menggunakan Fire Dynamics Simulation 5, ada hubungan yang kuat antara ukuran domain dan ukuran grid yang digunakan dalam simulasi. Besarnya grid mempengaruhi akurasi hasil simulasi. Selain itu, ukuran grid mempengaruhi waktu komputasi dari simulasi. Penelitian ini menggunakan ukuran grid dari 0,23 x 0,21 x 0,23 m. Berikut adalah desain Yang Akan dilakukan pengujian menggunakan software Fire Dynamics Simulation 5.
Geometri
Ukuran geometri yang digunakan dalam simulasi ini mengacu pada ukuran gedung bertingkat dengan rasio skala 1:1. Sementara itu, perbandingan simulasi
dengan Prototipeadalah 1:20. Simulasi terdiri dari dua skenario, yaitu gedung bertingkat dengan dan tanpa menggunakan sistem presurisasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan Prototipe Sistem Presurisasi
Dalam tahap ini perancangan prototipe dilakukan secara teoritis dan mengacu pada konsep dasar sistem. Perancangan prototipe ini dilakukan dengan bantuan perangkat lunak Autodesk Inventor. Berikut gambaran rancangan prototipe.
Tekanan yang berbeda disebabkan oleh dua saluran pada gedung. Saluran yang terhubung diluar tangga darurat berfungsi membuang asap yang timbul, sedangkan saluran yang terhubung pada tangga darurat berfungsi untuk menjaga tekanan dalam ruangan tangga darurat agar tetap lebih besar dari ruangan diluarnya dengan pemberian kipas pada saluran. Tekanan udara yang diterapkan harus didasarkan pada standar maksimum. Fan estruction hanya terdapat di bagian ceiling dinding penghalang. Apabila asap telah mampu melewati dinding penghalang akan langsung dihisap menuju keluar ruangan dan mencegah asap menuju ruang presurisasi. Sistem presurisasi tetap bekerja ketika smoke detector mendeteksi dan seluruh program pengendali asap dan kebakaran bekerja otomatis.
Hasil Pengujian Simulasi Sistem Presurisasi Tangga Darurat
Bagian ini membahas pengaruh tekanan udara pada pengisian asap dan opacity asap di daerah tangga. Dalam simulasi numerik menggunakan FDS 5 dengan ukuran sebenarnya dari gedung bertingkat. Bangunan ini terdiri dari 10 lantai dengan total ketinggian 42 meter. Pada Heat Release Rate sama dan kekuatan konstan 2 MW, terlihat pengaruh Heat Release Rate terhadap nilai ketebalan asap di gedung bertingkat tanpa aktivasi fan presurisasi di tangga darurat. Kondisi bervariasi sebanding dengan jumlah pintu yang dibuka.
Gambar 2. Rancangan prototype dengan perangkat lunak Autodesk Inventor
Tabel 1. Hasil perhitungan kondisi presurisasi stairwell dengan Δp = 49,1 Pa
Gambar 4. Grafik laju alir udara yang mengalir keluar terhadap jumlah pintu terbuka
Perancangan dan Perhitungan Mekanikal
Perhitungan yang diperhatikan pada sistem ini adalah kecepatan dan waktu yang dibutuhkan untuk mengevakuasi korban, tekanan yang diberikan pada tangga darurat apabila ada pintu darurat yang terbuka, dan pemilihan kipas yang tepat.
vout = kecepatan aliran udara keluar (m/s)
Qout1 =laju alir udara yang keluar stairwell berdasarkan vout
Qout2 = laju alir udara yang keluar stairwell dengan v memenuhi v min = 1,3 m/s
Qsuplai = laju alir udara yang disuplai ke stairwell
Fan Exhaust (Kipas Pembuangan)
Fan pembuangan asap harus mempunyai kapasitas yang cukup untuk menghisap lapisan asap yang berada di dalam reservoir asap, yang tepi bawahnya tidak kurang dari 2 m diatas permukaan lantai tertinggi dan
Gambar 3. Perbandingan asap mengisi ke tangga untuk (a) tidak ada bertekanan
Tabel 2. Spesifikasi untuk fan supply dan fan exahust Gambar 5. Grafik laju aliran udara terhadap
tekanan statik fan presurisasi untuk pressurized tangga akses pemadam kebakaran
diatas puncak setiap bukaan yang menghubungkan reservoirreservoir asap yang berbeda. Selain itu, laju pembuangan asap ditentukan dengan pengukuran ketinggian ditentukan dari permukaan lantai terendah terhadap bagian bawah reservoir atap.
Fan Presurisasi (Kipas Pemberi Tekanan )
Fan yang dipilih adalah Woods JM aerofoil - 40 JM/16/2/28. Pada 2,0 m3/det fan akan mengembangkan tekanan 250 Pa, meninggalkan 200 Pa tersedia untuk mengatasi hambatan dari sistem udara.
Pressurisasi Tangga Sebagai Akses Pemadam Kebakaran
Udara pasokan ukuran fan ditentukan oleh kebutuhan udara tugas MODE 3 (9,14 m3/det). Fan yang dipilih adalah Woods JM aerofoil - 80JM 25/4/9/32. Pada 9,14 m3/sec fan ini akan mengembangkan tekanan sekitar 300 Pa, meninggalkan 250 Pa tersedia untuk mengatasi hambatan sistem.
Perhitungan Waktu Evakuasi di Tangga Darurat
Sesuai skala prototype, luas area tiap ruangan tempat orang bekerja adalah 120 m2. Dengan asumsi density yaitu 0,5 orang/m2, maka setiap ruangan berisi 60 orang. Diasumsikan korban-korban di lantai dua. Waktu evakuasi total diperoleh
Gambar 6. Grafik laju aliran udara terhadap tekanan statik fan presurisasi untuk pressurised tangga akses pemadam
kebakaran
dari waktu evakuasi korban dari ruangan menuju tangga dan waktu evakuasi melewati tangga darurat ditambah melewati pintu darurat dengan total jarak 28 meter. Didalam ilmu evakuasi, terpenting adalah menghitung waktu evakuasi sampai orang terakhir keluar. Dari survey yang kami lakukan, kecepatan berjalan setiap orang adalah 72,84 m/min sehingga waktu orang terakhir melintasi lintasan 28 meter tersebut adalah 0,38 menit. Waktu evakuasi korban melewati pintu sampai orang terakhir keluar adalah 2,35 menit. Jadi kalau waktu evakuasi diukur dari awal kebakaran sampai orang terakhir lantai 2 mencapai tangga darurat adalah waktu korban mulai beraksi + Waktu evakuasi menuju tangga darurat = 1,85 min + 5,08 min = 6,93 min. Untuk lantai yang lain ,waktu yang digunakan keluar gedung adalah waktu evakuasi lantai 2 sampai keluar gedung + (n-2).waktu evakuasi ditangga F(n) = 9,078 + (n-2).0,178, dan n = nomor lantai.
Analisis Dimensional pada Prototype
Model analisa ini dibuat untuk mendapatkan informasi yang mendekati kebenaran sebelum memulai melaksanakan pekerjaan yang sesungguhnya. Berdasarkan perhitungan data sebenarnya untuk sistem presurisasi, dapat dilakukan prancangan kebutuhan pemodelan sebagai sebagai berikut.
a. Penentuan skala
Berdasarkan acuan standar yang ada dan melihat ukuran Prototipeyang digunakan, maka ditentukan skala pengecilan yang digunakan adalah 1: 20 (cm). b. Ukuran Pemodelan Bangunan
Dengan menggunakan skala 1: 20 diperoleh bahwa spesifikasi ukuran Prototipekerja dengan panjang 65cm, lebar 86 cm, dan tinggi 200cm.
Dengan demikian, sistem presurisasi prototipe menjadi.
Tabel 3. Perbandingan parameter sistem presurisasi model terhadap prototipe
No. Parameter Pemodelan Persamaan Prototipe
1 Kecepatan aliran keluar
cerobong 1,33 m/s
(vp/vm) = n0,5 0,2974 m/s
2 Perbedaan Tekanan
(setiap lantai) 49,1 Pa σp/ σm = n 2,455 Pa
3 Laju aliran udara dengan
pintu tertutup
2,795 m3/det (Qp/Qm) = n2,5 0,00156 m3/det
4 Laju aliran udara dengan
pintu tebuka I
6,62614
m3/det (Qp/Qm) = n
2,5 0,003704 m3/det
5 Laju aliran udara dengan
pintu terbuka II
8,98446
m3/det (Qp/Qm) = n
2,5 0,005023 m3/det
6 Laju aliran udara dengan
pintu terbuka III
11,473 m3/det (Qp/Qm) = n2,5 0,006414 m3/det
Gambar 7. PrototipeDesain
Gambar 8. Perbandingan Eksperimen dengan sistem presurisasi dan tanpa presuriassi
Tanpa presurisasi Dengan presurisasi
Desain Prototipe
Sebuah model skala kecil bangunan tinggi telah dirancang dan dibangun dengan skala 1: 20 dari ukuran bangunan yang sebenarnya. Dengan demikian, model ini memiliki ukuran lebar 65cm, panjang 86 cm, dan 200 cm. Model ini dilengkapi dengan tangga tertutup bertekanan dengan kipas disesuaikan dengan kecepatan untuk sistem presurisasi tangga dariurat. Spesifikasi desain untuk Prototipeadalah sebagai berikut:
1. Desain Prototipe memiliki ukuran 70 cm x 65 cm x 200 cm.
2. Setiap lantai dihubungkan dengan tangga.
3. Interior dari model terbuat dari bahan acrylic transparan dari 3 mm, sedangkan frame luar dan tutup menggunakan acrylic transparan dari 5 mm.
4. Pintu dilengkapi dengan engsel, sehingga mereka dapat dibuka atau ditutup sesuai kebutuhan.
5. Daerah dekat ke tangga keluar dilindungi dengan dinding turun untuk perlindungan pasif akan penyebaran asap.
6. Final mock-up ini juga dilengkapi dengan sistem ekstraksi asap.
Setelah desain mock-up selesai, pembangunan mock-up dilakukan oleh pembuat profesional menggunakan teknik laser cutting untuk memastikan keakuratan dan terbaik. Meskipun biayanya relatif mahal, tetapi memiliki keuntungan lebih aman dan lebih ringan dari kaca, dengan tingkat kejelasan tinggi untuk pengukuran ketebalan asap dan pengamatan visual.
Hasil Eksperimen
Berdasarkan hasil pengamatan pengukuran, diketahui bahwa pengukuran antara yang diberi tekanan dan yang tidak diberi tekanan pada HRR yang sama berdampak pada penyebaran asap yang terjadi pada titik kebakaran. Pada detik-detik awal, karakteristik api hampir sama dan pola penyebaran asap juga hampir menyerupai. Namun pada detik ke 120 sampai akhir terdapat perbedaan dimana pada Prototipegedung bertekanan, cenderung pola asap menyebar secara perlahan dan ketika mendekati pintu darurat asap tidak masuk kedalam ruang tangga meskipun dilakukan kondisi pintu terbuka pada varian lantai. Hal ini terjadi sebaliknya pada Prototipegedung tanpa tekanan, pola penyebaran asap merata dan ketika mendekati pintu darurat maka akan mencari tekananan yang lebih tinggi sehingga asap masuk ke daerah tangga darurat jika pintu dalam keadaan terbuka saja.
KESIMPULAN
Sistem pengendalian asap sebaiknya dirancang untuk menghalangi aliran asap kedalam sarana jalan keluar, jalan terusan keluar, daerah tempat berlindung, atau daerah lain yang serupa. Sistem lain seperti presuriasi ini dapat disediakan untuk hunian khusus atau fasilitas lainnya, apabila sistem pengendalian asap tersedia sebaiknya diaktifkan sedini mungkin pada keadaan darurat kebakaran untuk membatasi penyebaran gas kebakaran. Pemasangan sistem presurisasi ini dapat menjadi standar nasional dalam mendesain gedung yang aman terhadap kebakaran dikarenakan teknologi yang efisien, modern, dan terbukti tepat guna berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan. Dengan pemberian tekanan pada tangga darurat, maka pada jalur evakuasi akan terhindar dari bahaya asap kebakaran yang berarti menyediakan daerah berlindung dan waktu tambahan untuk keluar gedung, tetapi sebaiknya jangan mengharapkan daerah seperti itu akan bebas dari asap sepenuhnya karena masih terdapat faktor eror lainnya yang dapat menganggu sistem ini seperti rusaknya generator sebagai pengganti listrik sementara, sehingga kipas tidak dapat berputar, adanya keretakan pada dinding pembatas antara jalur evakuasi dengan sumber asap, api yang terlalu dekat dengan jalur evakuasi dan lain-lainnya
DAFTAR PUSTAKA
Buchana AH, “Structural Design For Fire Safety”, Wiley, 2001
Chasteauneuf, Paul, ” A Guide To Testing Stairwell”, AS/NZS 1668 Pt-1 , 1998 Ferreira, Michael J. P.E. And John Cutonilli, ” Protecting The Stair Enclosure In
Tall Buildings Impacted By Stack Effect”, 2008
Klote, John H., D,SC., P.E.” An Overview Of Smoke Control Research”, Fellow ASHRAE, 1995
Klote JH (1995) An overview of smoke control research. ASHRAE Trans Symp 101(1):979–990 (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc.)
Kuligowski , Erica D., James A. Milke,” A Performance-Based Egress Analysis Of A Hotel Building Using Two Models”, Society Of Fire Protection Engineers, 2005
P.C. Reist, Introduction to Aerosol Science, Macmillan, New York (1984).
SNI 03-7012-2004. Sistem Manajemen Asap Di Dalam Mal, Atrium dan Ruangan Bervolume Besar
SNI 03-6571-2001. Sistem Pengendalian Asap Kebakaran Pada Bangunan Gedung. Shi
Pu, Sisi Zlatanova,” Evacuation Route Calculation Of Inner Buildings”, Delft University Of Technology
Tamura GT, Shaw CY (1976) Air leakage data for the design of elevator and stair shaft pressurization systems. ASHRAE Trans 82(2):179–190
Wild, J.A. C.Eng, F.I.Mech.E. 2000. Smoke Control By Pressurisation. England: Fläkt
Yu JY, Cho DW, Yu KH, Jung HK. Evaluation of stack effect according to the shape and window area ratios of lobby in high-rise buildings: Council on Tall Buildings and Urban Habitat 2004; October 10~13 Seoul, Korea: 787-791.
ASHRAE 2007, Fire and Smoke Management, Chapter 52, HVAC Application. Quintiere, J.G., Fundamentals of Fire Phenomena, John Wiley & Sons, 2006. Ingason, H., Model scale railcar fire tests, Fire Safety Journal 42 (2007) 271–282. McGrattan, Kevin, Randall McDermott, Simo Hostika, Jason Floyd. Fire
Dynamics Simulator (Version 5) User’s Guide, NIST Special Publication 1019 – 5, Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology, October 2010a.
McGrattan, Kevin, Simo Hostikka, Jason Floyd, Howard Baum, Ronald Rehm, William Mell, Randall McDermott. Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide – Volume 1: Mathematical Model. NIST Special Publication 1018 – 5, Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology, October 2010b.
Karlsson, B., James G. Quintiere, Enclosure fire dynamics, CRC Press, Boca Raton, Florida 33431, 2000.
Buchanan, Andy, Fire Engineering Design Guide, New Zealand Centre of Advanced Engineering, 2nd Edition, 2001
Thomas, P.H. Movement of Smoke in Horizontal Corridors Againts an Airflow. Institution of Fire Engineers Vol. 30 No. 72, 1970.
Wild, J.A. Smoke Control by Pressurization. Fans in Fire Safety, Flakt Woods Limited, Third Edition, 1998.
Hobson, P.J. and Stewart, L.J, Pressurisation of Escape Routes in Buildings, Fire Researche Note 958 Desember, 1977.
Drysdale, D., An Introduction to Fire Dynamics, 2nd Edition, John Wiley& Sons, John Wiley & Sons, 2003.
Mulholland, G.W., Smoke Production and Properties, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, Quincy, MA, Section 2/Chapter 13, 3rd Edition, 2002.
