Für den Nachweis und die Optimierung des Brandschutzes, insbesondere bei Sonderbauten, werden zunehmend numerische Brand-, Rauch- und Evakuierungssimulationen eingesetzt. Sie kosten weniger und belasten die Umwelt in geringerem Maße als reale Brandversuche. Doch Simulationen setzen Fachwissen voraus. Durch zu grobe Rechengitter, ungenaue Randbedingungen, nicht berücksichtigte Brandszenarien oder vernachlässigte Gefahrenquellen können Simulationen zu Fehlschlüssen führen.
Von Marian Behaneck / Juni 2015. Gestalterische Wünsche oder funktionale Anforderungen von Architekten und Bauherren entsprechen häufig zunächst nicht den Erfordernissen des vorbeugenden Brandschutzes. Insbesondere öffentliche Bauvorhaben mit ihren individuellen Architektur- und Nutzungskonzepten gehen selten mit bauordnungsrechtlichen Regelanforderungen an den Brandschutz konform oder stehen zu diesen sogar in krassem Widerspruch. Hinzu kommen Einschränkungen in der Anwendung von Regelwerken.
So lassen sich zwar z. B. Entrauchungsanlagen bei einfachen Gebäude- und Raumkonzepten, basierend auf der DIN 18232 [1] respektive der DIN EN 12101 [2], auslegen, nicht aber bei Gebäuden mit komplexer Geometrie. Das hängt damit zusammen, dass die Auslegung auch von der gebäudeabhängigen Raumluftströmung, der Intensität der Zuluftströmung und weiteren Faktoren abhängt. Unsicherheiten entstehen auch dadurch, dass die Musterbauordnung (MBO) sowie die Landesbauordnungen (LBOs) zwar allgemeine Schutzziele definieren, aber nicht auf Einzelfälle eingehen können und somit nur grobe Angaben enthalten. Die Bauordnungen sehen daher die Möglichkeit vor, von den Regelvorschriften abzuweichen, wenn durch geeignete Methoden nachgewiesen werden kann, dass die vom Gesetzgeber geforderten Schutzziele auch mit den geplanten individuellen Lösungen realisierbar sind.
Ingenieurmethoden für individuelle Nachweise
Geeignet sind insbesondere Ingenieurmethoden wie die rechnergestützte Brand-, Entrauchungs- und Evakuierungssimulation. Damit lassen sich auf der Grundlage mathematisch-physikalischer Modelle Brandschutznachweise erbringen, die eine Abweichung von vorgeschriebenen Brandschutzvorgaben ermöglichen. Eingesetzt werden die Simulationsverfahren in der Bauentwurfsplanung, der Brandursachenforschung und -folgenermittlung sowie bei der Untersuchung von Brandphänomenen.
In der Entwurfsplanung dienen Simulationsrechnungen vor allem der Lokalisierung von Problemzonen im Gebäude und der Entwicklung von Konzepten und Lösungen. Individuelle brandschutztechnische Konzepte, Gutachten oder Stellungnahmen lassen sich mit Simulationsrechnungen untermauern. Sie helfen bei der Dimensionierung und Optimierung brandschutztechnischer Einrichtungen, etwa von Rauchabzügen oder Anlagen für die maschinelle Entrauchung, und ermöglichen Aussagen über deren Einfluss auf den Brandverlauf. Da alle relevanten Daten, wie Dichte, Temperatur oder Geschwindigkeit, zu jedem Zeitpunkt des Brandes berechenbar sind, lassen sich für jeden Punkt innerhalb eines Objektes zuverlässige Aussagen treffen. So wird die Konzentration von Verbrennungsprodukten, wie Ruß oder Rauchgase, die Reduktion des Sauerstoffgehaltes oder die vorhandene Sichtweite exakt berechnet, ebenso wie die Wärmestrahlung von Flammen und Rauchgasen zur Bestimmung von Bauteiltemperaturen.
Damit lässt sich die tatsächliche thermische Belastung für jeden Punkt der Tragwerkskonstruktion ermitteln, so dass diese entsprechend präzise – und damit häufig schlanker und filigraner als mit konventionellen Rechenverfahren – dimensioniert werden kann. Bei haustechnischen Anlagen kann man ermitteln, welche Bereiche und Bauteile einen zusätzlichen Brand- oder Sprinklerschutz benötigen. Auch die Löschwirkung von Wasser respektive der Sprinkleranlage kann simuliert werden, wobei Parameter wie Wassermenge, Austrittsgeschwindigkeit, Tropfengröße usw. dem jeweils eingesetzten Sprinklertyp angepasst werden können.
Die Einsatzmöglichkeiten der Brandsimulationsprogramme reichen von einfachen Volumenbränden über Flächenbrände bis hin zu komplexen Brandszenarien mit sich plötzlich ändernden Randbedingungen, wenn etwa eine Glasfassade durch Hitzeeinwirkung platzt.
Mithilfe von Personenstrom-Simulationen können bauliche, technische und organisatorische Maßnahmen für die Evakuierung von Gebäuden entwickelt und optimiert werden. Simulationsrechnungen unterstützen die Planer, sowohl sicherheitstechnisch als auch wirtschaftlich optimale Lösungen zu entwickeln. Vom Gesetzgeber oder Bauherrn geforderte Sicherheitsstandards lassen sich damit häufig kostengünstiger erzielen als mit konventionellen Methoden. Rechnergestützte Nachweisverfahren kosten nicht nur weniger, sondern sie belasten auch die Umwelt in geringerem Maße als reale Brandversuche.
Für jedes Problem das passende Modell
Je nachdem welche Brandszenarien und Randbedingungen vorherrschen oder welches Schutzziel angestrebt wird, kommen verschiedene Brandmodelle zum Einsatz, die sich durch die Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen, physikalischen und numerischen Verfahren und den Umfang der verarbeiteten Datenmenge unterscheiden:
Bei Zonenmodellen wird der Brandraum in mehr oder weniger große Zonen unterteilt und die zu untersuchenden Prozesse werden empirisch, d. h. durch aus Versuchsergebnissen abgeleitete Beziehungen, beschrieben. Das vereinfacht zwar die Berechnung, führt bei komplexeren Problemstellungen aber zu Fehlern.
Feldmodelle beruhen, wie auch CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamic), auf physikalischen Prinzipien der Energie-, Massen- und Impulserhaltung. Auf der Basis eines digitalen 3-D-Geometriemodells des Gebäudes, das in eine Vielzahl (bis zu einigen Millionen) kleiner, miteinander vernetzter Zellen unterteilt wird, lassen sich damit physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Dichte, Rauchgaskonzentrationen usw. als Funktionen von Ort und Zeit präzise ermitteln – für jede Zelle und damit nahezu für jeden Raumpunkt. Da jede Zelle von ihren Nachbarzellen beeinflusst wird, ist der Rechenaufwand groß.
Von Feldmodellen unterscheiden sich die CFD-Modelle in der geometrischen Flexibilität der Zellelemente, der Vernetzung von Zellen sowie in der Beschreibung besonderer Strömungseffekte, wie etwa Turbulenzen. CFD-Modelle sind daher besonders geeignet für Objekte mit einer außergewöhnlichen Form, Gestaltung, Struktur, vom Standard abweichenden Randbedingungen, zur Simulation von Voll- und Lokalbränden oder für spezielle Brandeffekte. [...]
Der vollständige Artikel ist in Ausgabe 3.2015 des FeuerTRUTZ Magazins (Mai 2015) erschienen.
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CFD ersetzt kein Fachwissen
Brandsimulations-Software ist in der Lage, das reale Verhalten von Bränden und die damit zusammenhängenden Phänomene wie die Rauchausbreitung zu prognostizieren. Erreicht wird dies jedoch nur durch eine exakte Wiedergabe der Raumgeometrie, die Verwendung hinreichend genauer Brandmodelle und die Berücksichtung relevanter Phänomene wie Turbulenzen und Wärmeübertragungen. Durch ein zu grobes Rechengitter, ungenaue Randbedingungen oder vernachlässigte Brandszenarien sowie Gefahrenpotentiale können die Programme zu falschen Ergebnissen führen, die auf den ersten Blick nicht erkennbar sind. Ausschlaggebend für den Erfolg rechnergestützter Simulationsverfahren ist daher eine frühzeitige, enge Zusammenarbeit der Planer, Brandschutzfachleute und der Feuerwehr. In jedem Fall sollten die Ergebnisse von erfahrenen Brandschutzexperten interpretiert und auf Plausibilität geprüft werden.
Wofür steht CFD?
Computational Fluid Dynamics, abgekürzt CFD, wird auch als Numerische Strömungssimulation bezeichnet. Damit lassen sich strömungsmechanische Aufgabenstellungen näherungsweise mit numerischen Methoden lösen. Die physikalische Grundlage der CFD-Berechnungsmodelle bilden Massen-, Energie- und Impulserhaltungsgleichungen (so genannte Navier-Stokes-Gleichungen). Mithilfe dieser Differenzialgleichungssysteme lassen sich dreidimensionale Strömungen und Flüssigkeiten beschreiben. Eingesetzt werden CFD-Modelle in der Industrie für die Konstruktionsoptimierung von Flugzeugen, Fahrzeugen, elektronischen, heizungs- oder lüftungstechnischen Bauteilen. Im Baubereich kommen CFD-Modelle vor allem in der Brand- und Entrauchungssimulation, der Simulation von Windlasten am Gebäude sowie von Luftströmungen im Gebäude zum Einsatz.
Regelwerke
- [1] DIN 18232: Rauch- und Wärmefreihaltung – Teil 2: Natürliche Rauchabzugsanlagen (NRA); Bemessung, Anforderungen und Einbau, Nov. 2007 – Teil 5: Maschinelle Rauchabzugsanlagen (MRA); Anforderungen, Bemessung, Nov. 2012
- [2] DIN EN 12101-2: Rauch- und Wärmefreihaltung – Teil 2: Bestimmungen für natürliche Rauch- und Wärmeabzugsgeräte, Sept. 2003 – Teil 3 (Entwurf): Bestimmungen für maschinelle Rauch- und Wärmeabzugsgeräte, Juni 2010
- VDI 6019, Blatt 2: Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden – Ingenieurmethoden, VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung, Juli 2009
Literatur
- Grewolls, K. und G.: Praxiswissen Brandschutz, Band 1: Simulationen, FeuerTRUTZ Network GmbH, Köln, 2012
- Hosser, D. (Hrsg.): Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes, Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V., 3. Auflage, Nov. 2013, www.vfdb.de/Merkblaetter.110.0.html
- Schneider, U.: Ingenieurmethoden im Baulichen Brandschutz. Grundlagen, Normung, Brandsimulationen, Materialdaten und Brandsicherheit, Kontakt & Studium, Band 531, Expert-Verlag, Renningen, 2014
- Vischer, A.: Sicherheit darstellen, Neue Ingenieurmethoden für die Visualisierung und den Nachweis des Brandschutzes, in: Deutsches Ingenieurblatt 9/2012, Schiele & Schön, Berlin
Autor
Dipl.-Ing. Marian Behaneck: Fachautor zahlreicher Publikationen zu Hardware, Software und IT im Baubereich
Der vollständige Artikel ist in Ausgabe 3.2015 des FeuerTRUTZ Magazins (Mai 2015) erschienen.
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