Materi Fire Modeling Wahyu Sujatmiko versi 20 11 2012

PEMODELAN DAN SIMULASI KEBAKARAN1

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.

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 (KClO4) dan polietilen [(C2H4)n], sebuah propelan roket, dapat terbakar hebat pada

1 _{Disampaikan pada Sosialisasi Fire Safety Manajemen dalam Menunjang Keselamatan} Kebakaran Bangunan Gedung di Dinas Pemadam Kebakaran DKI tgl 30 November 2012.

Pemahaman

FENOMENA KEBAKARAN

ANALISIS RISIKO KEBAKARAN

MANAJEMEN RISIKO KEBAKARAN

atmosfir lembam. Karena KClO4 mengandung atom oksigen. Sejumlah reaksi kimia tanpa oksigen dapat pula terbakar dengan nyala pada ketiadaan udara, misal H2 + Cl2 » 2HCl, C2H2 [asetilen] » 2 C(s) + H2.

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].

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 (CH4) maupun padat dengan berat molekul 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.

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)

Model Deterministik, baik model empiris maupun teoritis (prinsip

pertama) Model Probabilistik Model sederhana Model zona Model ruang Model jaringan Model statistik Model simulasi Model jaringan

Baik model terskala maupun skala penuh dengan penerapan aturan penskalaan geometrik dan keserupaan (mekanis, termal, dan kimia) Diskrit Kontinyu

Gambar 6 Ragam model kebakaran [NFPA]

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

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].

Bahan Bakar Kalor Oksidan

Penyulutan

Geometri Ruangan

Susunan Bahan Bakar

Lingkungan

Penyebaran Produk Kebakaran

Deteksi Otomatik

Toksisitas Visibilitas

Penghuni Tak Bereaksi

Dinas Kebakaran Aksi Fatal

Penyelamatan Pemadaman Kebakaran

Otomatik / Manual

Terkendali Tak Terkendali

Respon Struktur Bangunan

Bertahan Runtuh

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.

Gambar 10. Tahapan pertumbuhan kebakaran dalam suatu ruangan [Buchanan]

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 kurva api adalah kurva api kuadrat (Gambar 12), dengan besar konstanta slow = 0,003 kW/s2_,

medium = 0,0117 kW/s2_{, fast = 0,0469 kW/s}2_{, dan ultrafast = 0,1880 kW/s}2_{. 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 13. Contoh kurva pertumbuhan kebakaran beragam kursi [NFPA]

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

5. Penerapan Pemodelan dan Simulasi Kebakaran

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 oleh kebakaran dan korban jiwa sia-sia

Tidak terjadi korban jiwa di luar ruangan asal kebakaran

Level COHb tidak melebihi 12 % Visibilitas > 7 m

Meminimalkan kerusakan

bangunan oleh kebakaran Tidak terjadi kerusakan termal yang signifikan pada ruangan asal kebakaran

Temperatur lapisan atas < 200oC

Meminimalkan rugi operasional produksi

Waktu berhenti proses produksi < 8 jam

HCl < 5 ppm

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.

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.