Experimental and numerical investigation on the fire behaviour of South African passenger trains with an emphasis on arson
Date
2022-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Internationally, passenger train fires have become a rare occurrence as trains are tested to strict
standards in order to ensure passenger safety. At the same time, arson attacks have become a frequent
occurrence on Metrorail trains in South Africa in recent years, resulting in severe damage, huge financial
losses, and in some cases, even the injury and death of passengers. Intra-urban passenger trains form
a crucial part of the economy as many people rely on this form of public transport to travel to work.
Metrorail trains offer a low-cost alternative to other forms of public transport. Arson attacks threaten the
existence of passenger trains as a form of public transport as these lead to damage to infrastructure,
trains being destroyed and affect business continuity. Little is known about the fire behaviour in the
carriages which is causing these very dangerous fires. This study aims to investigate this fire behaviour
by using small-scale material tests, large-scale experiments, and full-scale numerical simulations to
gain insight into this problem.
The small-scale material tests include the determination of material density, bomb calorimeter tests to
determine the heat of combustion, and radiant panel tests in order to determine the ignition temperature
and critical heat flux, as well as to observe how these materials react to heat. Further material properties
are obtained from literature once all material types are identified.
The large-scale experiments involve the burning of full seat assemblies on a scale in an open-air
environment, while taking heat flux and temperature readings. This is used to determine the mass loss
rate of the seats, and are replicated in Fire Dynamics Simulator (FDS) version 6.7.6 numerical
simulations to observe the accuracy of the simulation using the parameters determined through smallscale
testing, large-scale experiments and literature values where required.
To study the approximate fire behaviour in a full-scale passenger train carriage, the carriages are
replicated, and the seat models are used in numerical simulations involving various fire scenarios.
These include a variation on the ventilation conditions, minimum and maximum, as well as varying the
ignition position between the front and middle of the carriage to study the effect these variables have
on fire behaviour. The results are used to analyse the tenability conditions and determine the time
passengers have to evacuate before experiencing injury or death.
Passengers were found to have minimal time to evacuate the carriages, with a high risk of mortalities
in the case of a full carriage. Some materials were found to be an extreme fire hazard which contributed
to the high heat release rate and all fire scenarios leading to flashover before 300 seconds. The fires
were found to be ventilation controlled, even in the maximum ventilation scenarios. All seats were found
to be non-compliant when compared to EN 45545-2 requirements, by exceeding the limit of 350 kW on
the peak heat release rate, and also exceeding limitations placed on fire spread and flame length.
AFRIKAANS OPSOMMING: Brande in passesiertreine het internasionaal ʼn skaars verskynsel geword omdat treine volgens streng standaarde getoets word om die veiligheid van passasiers te verseker. Terselfdertyd, het brandstigting onlangs algemeen geword op Metrorail se treine in Suid-Afrika, wat lei tot ernstige skade, groot finansiële verliese, en in sommige gevalle selfs beserings en die dood van passasiers. Binnestedelike passesierstreine vorm ʼn kritiese deel van die ekonomie aangesien talle mense op hierdie vorm van publieke vervoer staatmaak om werk toe te pendel. Metrorail treine bied ʼn laekoste alternatief tot ander vorms van publieke vervoer. Brandstigtingsaanvalle bedreig die bestaan van passesierstreine as ʼn vorm van publieke vervoer omdat hierdie aanvalle lei tot skade aan infrastruktuur, treine wat vernietig word en beïnvloed ook besigheidskontinuïteit. Min is bekend oor die brandgedrag wat hierdie gevaarlike brande veroorsaak in die waens. Hierdie studie mik om hierdie brandgedrag te ondersoek deur kleinskaalse materiaaltoetse, grootskaalse eksperimente en volskaalse numeriese simulasies om insig te kry rakende hierdie probleem. Die kleinskaalse materiaaltoetse sluit in die bepaling van materiaal digtheid, bomb calorimeter toetse om die verbrandingshitte te bepaal, en uitstralingspaneel-toetse om die aansteektemperatuur en kritiese hittevloei te bepaal, asook om waar te neem hoe hierdie materiale reageer wanneer hulle blootgestel word aan hitte. Verdere materiaaleienskappe is verkry vanuit literatuur nadat alle materiaal tipes geïdentifiseer is. Die grootskaalse eksperimente behels te verbranding van vol-sitplek samestellings op ʼn skaal in ʼn opelug omgewing, terwyl hittevloei en temperatuur lesings geneem word. Dit word dan gebruik om die massaverliestempo van die sitplekke te bepaal. Die eksperimente word nageboots in Fire Dynamics Simulator (FDS) weergawe 6.7.6 numeriese simulasies om die akkuraatheid van die simulasies waar te neem wanneer die eienskappe gebruik word wat bepaal is deur die kleinskaalse toetse, grootskaalse eksperimente en waardes verkry uit literatuur waar benodig. Om die benaderde brandgedrag in ʼn volskaalse passasiertreinwa te bestudeer, word die waens nageboots en die sitplek numeriese modelle gebruik vir die numeriese simulasies van verskeie brandgevalle. Hierdie brandgevalle sluit in ʼn variasie van ventilasieomstandighede, minimum en maksimum, en die verskuiwing van die plek waar die brand gestig word in die wa, tussen voor en die middel van die wa, om die effek van hierdie veranderlikes op die brandgedrag te bestudeer. Die resultate word gebruik om die houdbaarheidsomstandighede te analiseer en die tyd wat passasiers het om te ontruim voor hulle beseer word of beswyk te bepaal. Dit is bepaal dat die tyd wat passasiers het om te ontruim minimaal is, en dat daar ʼn hoe risiko is van sterftes wanneer die wa volgelaai is. Dit is bevind dat sommige materiale ʼn eksteme brandgevaar is, wat bydra tot die hoe hittevrylatingstempo en al die brandgevalle het gelei tot flashover binne 300 sekondes. Daar is bevind dat die brande ventilasiebeheerd is, selfs met die maksimum ventilasie brandgevalle. Al die sitplekke het nie aan vereistes voldoen wanneer hulle vergelyk is met die spesifikasies in EN 45545-2 nie, deurdat hulle die limiet van 350 kW oorskry het en ook die limiete op brandverspreiding en vlamlengte oorskry het.
AFRIKAANS OPSOMMING: Brande in passesiertreine het internasionaal ʼn skaars verskynsel geword omdat treine volgens streng standaarde getoets word om die veiligheid van passasiers te verseker. Terselfdertyd, het brandstigting onlangs algemeen geword op Metrorail se treine in Suid-Afrika, wat lei tot ernstige skade, groot finansiële verliese, en in sommige gevalle selfs beserings en die dood van passasiers. Binnestedelike passesierstreine vorm ʼn kritiese deel van die ekonomie aangesien talle mense op hierdie vorm van publieke vervoer staatmaak om werk toe te pendel. Metrorail treine bied ʼn laekoste alternatief tot ander vorms van publieke vervoer. Brandstigtingsaanvalle bedreig die bestaan van passesierstreine as ʼn vorm van publieke vervoer omdat hierdie aanvalle lei tot skade aan infrastruktuur, treine wat vernietig word en beïnvloed ook besigheidskontinuïteit. Min is bekend oor die brandgedrag wat hierdie gevaarlike brande veroorsaak in die waens. Hierdie studie mik om hierdie brandgedrag te ondersoek deur kleinskaalse materiaaltoetse, grootskaalse eksperimente en volskaalse numeriese simulasies om insig te kry rakende hierdie probleem. Die kleinskaalse materiaaltoetse sluit in die bepaling van materiaal digtheid, bomb calorimeter toetse om die verbrandingshitte te bepaal, en uitstralingspaneel-toetse om die aansteektemperatuur en kritiese hittevloei te bepaal, asook om waar te neem hoe hierdie materiale reageer wanneer hulle blootgestel word aan hitte. Verdere materiaaleienskappe is verkry vanuit literatuur nadat alle materiaal tipes geïdentifiseer is. Die grootskaalse eksperimente behels te verbranding van vol-sitplek samestellings op ʼn skaal in ʼn opelug omgewing, terwyl hittevloei en temperatuur lesings geneem word. Dit word dan gebruik om die massaverliestempo van die sitplekke te bepaal. Die eksperimente word nageboots in Fire Dynamics Simulator (FDS) weergawe 6.7.6 numeriese simulasies om die akkuraatheid van die simulasies waar te neem wanneer die eienskappe gebruik word wat bepaal is deur die kleinskaalse toetse, grootskaalse eksperimente en waardes verkry uit literatuur waar benodig. Om die benaderde brandgedrag in ʼn volskaalse passasiertreinwa te bestudeer, word die waens nageboots en die sitplek numeriese modelle gebruik vir die numeriese simulasies van verskeie brandgevalle. Hierdie brandgevalle sluit in ʼn variasie van ventilasieomstandighede, minimum en maksimum, en die verskuiwing van die plek waar die brand gestig word in die wa, tussen voor en die middel van die wa, om die effek van hierdie veranderlikes op die brandgedrag te bestudeer. Die resultate word gebruik om die houdbaarheidsomstandighede te analiseer en die tyd wat passasiers het om te ontruim voor hulle beseer word of beswyk te bepaal. Dit is bepaal dat die tyd wat passasiers het om te ontruim minimaal is, en dat daar ʼn hoe risiko is van sterftes wanneer die wa volgelaai is. Dit is bevind dat sommige materiale ʼn eksteme brandgevaar is, wat bydra tot die hoe hittevrylatingstempo en al die brandgevalle het gelei tot flashover binne 300 sekondes. Daar is bevind dat die brande ventilasiebeheerd is, selfs met die maksimum ventilasie brandgevalle. Al die sitplekke het nie aan vereistes voldoen wanneer hulle vergelyk is met die spesifikasies in EN 45545-2 nie, deurdat hulle die limiet van 350 kW oorskry het en ook die limiete op brandverspreiding en vlamlengte oorskry het.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Passenger trains -- Risk assessment, Fire investigation, Fire Dynamics Simulator, Metrorail, Arson, Rail passengers, Heat of combustion, UCTD