Simulationen: Einsatz in der Brandschutzplanung

Mit numerischen Simulationsmethoden lassen sich Auswirkungen von Brandereignissen berechnen und daraus Entrauchungs- oder Evakuierungskonzepte ableiten. Der Einsatz entsprechender Software setzt jedoch Fachwissen und Erfahrung voraus. Über Möglichkeiten und Grenzen digitaler Simulationsverfahren im Brandschutz informiert dieser Beitrag.

Einsatz von Simulationen in der Brandschutzplanung
Strömungsgeschwindigkeiten, Rauchkonzentrationen, Sichtweiten und Temperaturen gehören zu den wichtigsten Ergebnissen der numerischen Brandsimulation. (Bild: Nees Ingenieure)

Februar 2020 / Von Marian Behaneck. Brandverläufe und dabei entstehende Temperaturen oder Rauchentwicklungen lassen sich am Rechner ebenso simulieren und berechnen, wie Menge und Zusammensetzung von Rauchgasen oder Sichtweiten. Darauf aufbauend können Lösungen für unterschiedliche Problemfälle aus der Bau- und Tragwerksplanung, der Brandursachen- und Brandfolgenermittlung oder bei der Untersuchung von Brandphänomenen und Schadensverläufen erarbeitet werden. Falsche Randbedingungen, zu grobe Rechengitter oder vernachlässigte Brandszenarien können allerdings fehlerhafte Ergebnisse liefern. Sie müssen deshalb von Experten hinterfragt und bewertet werden.

Brandschutz individuell nachweisen

Mit rechnergestützten Brand-, Entrauchungs- und Evakuierungssimulationen lassen sich auf der Grundlage mathematisch-physikalischer Modelle individuelle Nachweise erbringen. Das ist insbesondere bei Sonderbauten mit einem hohen Risiko- und Gefahrenpotenzial wie etwa Hochhäusern oder Versammlungsstätten relevant, aber auch bei Gebäuden mit individuellen Architektur- und Nutzungskonzepten.

Dass die vom Gesetzgeber geforderten Schutzziele eingehalten werden, kann ­beispielsweise durch ingenieurmäßige Verfahren und entsprechende Softwarelösungen wie ANSYS Fluent, Firex, CFdesign, Fire Dynamics Simulator oder MRFC (s. Infokasten) nachgewiesen werden. In der Bauplanung 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 wichtige Daten wie Dichte, Temperatur oder Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt des Brandes berechenbar sind, lassen sich für jeden Punkt innerhalb eines Objekts belastbare Aussagen treffen, auch beispielsweise zur Ruß- oder Rauchgaskonzentration, zur Reduktion des Sauerstoffgehalts oder zur Sichtweite.

Mit exakten Berechnungen der Wärmestrahlung von Flammen und Rauchgasen können auch thermische Belastungen für jeden Punkt der Tragwerkskonstruktion ermittelt werden. Damit lassen sich Stahl- und Verbundtragwerke mithilfe der sogenannten Heißbemessung nach Eurocode-Norm sehr exakt dimensionieren – und damit häufig schlanker, filigraner und kostengünstiger als mit konventionellen Rechenverfahren. Bei haustechnischen Anlagen kann man ermitteln, welche Bereiche und Bauteile einen zusätzlichen Brand- oder Sprinklerschutz benötigen. Die Einsatzmöglichkeiten von Brandsimulationsprogrammen reichen von einfachen Volumenbränden über Flächenbrände bis hin zu komplexen Brandszenarien. Mithilfe von Personenstrom-Simulationen können bauliche, technische und organisatorische Maßnahmen für die Evakuierung von Gebäuden entwickelt und optimiert werden (s.u.).

Brandsimulation Schritt für Schritt

Basis von Brandsimulationen sind dreidimensionale Geometrien des zu untersuchenden Raums, Raumensembles oder Gebäudes mit sämtlichen strömungstechnisch relevanten Details. Erstellt werden sie entweder mit einem in die Software integrierten Präprozessor oder mit einem externen CAD-Programm. Die Raumvolumen werden anschließend in eine endliche Zahl kleiner Zellen (sogenannte „finite Volumen“) unterteilt und damit in ein die Berechnung vereinfachendes kartesisches oder ungeordnetes Rechengitter generiert. Die Wahl der Zellengröße ist abhängig von dem zu untersuchenden Brandszenario und den vorhandenen Rechenressourcen.

In der Praxis werden bei öffentlichen Gebäuden (Empfangshallen, Atrien, Säle etc.) Zellengrößen zwischen 10 und 20 cm verwendet, und im Wohnungsbau sind diese etwas kleiner. Teilweise besteht die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Gitternetze zu definieren, z.B. an der Brandquelle ein feinmaschigeres Gitter, sodass die Abläufe genauer simuliert werden können. Die erforderliche Zellenzahl hängt von der Gebäudegröße und -geometrie ab, umfasst aber i.d.R. zwischen 20.000 und einigen Millionen Zellen.

Mit einer großen Rechenzellenzahl (Diskretisierungstiefe) kann die zu untersuchende Geometrie exakter nachgebildet wird, zugleich steigt aber der Rechenaufwand. Nach der Vernetzung der Zellen werden ein geeignetes Modell für die relevanten physikalischen und chemischen Prozesse ausgewählt und es werden die Randbedingungen für die Berechnung definiert. Auch davon hängt die Qualität der Berechnungsergebnisse ab.

Nach Abschluss der Simulation werden umfangreiche, i.d.R. grafische Auswertungen ausgegeben, wobei Temperaturverläufe, Sichtweiten, Gaskonzentrationen etc. auch in Form von Tabellen und Diagrammen darstellbar sind. Grenzen setzt die Komplexität der Modelle und Rahmenbedingungen. Komplexe Berechnungen können selbst auf sehr leistungsfähigen Rechnern Tage und Wochen dauern, sodass Simulationen auch an wirtschaftliche Grenzen stoßen. Für komplette Simulationsprojekte, inklusive Rechenzeitkosten, muss man projektgrößenabhängig zwischen 5.000 und 25.000 € kalkulieren.

Einsatz von Simulationen in der Brandschutzplanung
Auch die Rauchausbreitung in neuralgischen Bereichen wie Treppenhäusern kann visualisiert werden. (Bild: Nees Ingenieure)

Entfluchtungsmaßnahmen simulieren

Entfluchtungssimulationen, auch Evakuierungs-, Räumungs- oder Personenstromsimulationen genannt, beschreiben den zeitlichen Ablauf eines Evakuierungsvorgangs mit mathematischen Modellen. Zum Einsatz kommen dabei Strömungsmodelle oder dynamische Individualmodelle. Mit speziellen Programmen zur Simulation zielgerichteter Personenbewegungen in räumlich komplexer Umgebung, z.B. ASERI, Crowd Control, crowd:it; FDS+Evac, Pathfinder, PTV Viswalk etc. (s. Infokästen), lässt sich die Wirksamkeit von Evakuierungskonzepten überprüfen.

Simulationen ermitteln die Entfluchtungsdauer, lokalisieren problematische Stauzonen und helfen bei der Optimierung notwendiger Flucht- und Rettungswege.

Ferner ermöglichen sie den Nachweis, dass geplante oder bestehende Flucht- und Rettungswege für eine bestimmte Personenzahl genügen und ausreichend flexibel sind. Die Evakuierungssimulation ist ein anerkanntes ingenieurmäßiges Nachweisverfahren für eine ausreichende Fluchtwegdimensionierung bei Abweichungen vom Bauordnungsrecht. Simulationsgrundlage ist, neben der Raum-/Gebäudegeometrie mit allen für den Ablauf der Evakuierung wichtigen Details, eine Beschreibung der individuellen Bewegung der Personen unter Berücksichtigung wichtiger Parameter wie Größe, Gewicht, Alter, Gehgeschwindigkeit, Reaktions- und Verzögerungszeiten, Fluchtwege-Wahl, ­Verhalten bei Staubildung etc. Die Wahl des Fluchtwegs erfolgt unter Beachtung individueller und externer Einflussfaktoren wie Orientierung, Hinweiszeichen, Fluchtleitsysteme, Ordnungs- oder Rettungskräfte etc. Die Berechnung basiert auf elementaren Bewegungsabläufen (Aufschließen, Ausweichen, Überholen, Mindestabstand) und berücksichtigt auch raumgeometrisch bedingte Einschränkungen sowie äußere Einwirkungen wie Rauch und Hitze. Dadurch lassen sich auch im Katastrophenfall auftretende Personenstromdynamiken vorhersagen. Wichtigstes Berechnungsergebnis sind die Mittelwerte der Räumungszeiten sowie statistische Schwankungen.

Einsatz von Simulationen in der Brandschutzplanung
Lassen sich Versammlungsstätten ausreichend schnell räumen? Simulationsprogramme beantworten diese und weitere Fragen. (Bild: accu:rate)

Fazit und Ausblick

Mit Simulationsrechnungen lassen sich Brandschutzlösungen sicherheitstechnisch und wirtschaftlich optimieren. Nützlich sind Simulationsrechnungen jedoch nur, wenn die Software korrekt rechnet, passende Brandmodelle verwendet und alle relevanten Randbedingungen, Brandszenarien, Gefahrenpotenziale und Phänomene wie Wärmeübertragungen beachtet werden. Auch ungenaue Geometrien oder ein zu grobes Rechengitter können falsche Ergebnisse liefern, weshalb diese stets von erfahrenen Brandschutzexperten auf Plausibilität analysiert und möglichst durch reale Rauchversuche überprüft werden sollten. Sonst drohen Fehlschlüsse mit möglicherweise katastrophalen Folgen. Effizientere Arbeitsabläufe versprechen die BIM-Planungsmethode und BIM-Gebäudemodelle (Building Information Modeling), weil der Aufwand für die geometrische Erstellung von Simulationsmodellen ggf. entfällt. Außerdem enthalten BIM-Modelle alle relevanten Informationen in Form von Bauteilattributen zu Abmessungen, zum Bauteilaufbau, zum Material, zur Feuerwiderstandsklasse, zur Öffnungsrichtung von Brandschutztüren, zu Feststellanlagen, Brandabschottungen etc. In der Praxis verfügen allerdings (noch) wenige Simulationsprogramme über entsprechende IFC-Schnittstellen (Industry Foundation Classes). Häufig entsprechen auch die Qualitäten oder Detaillierungsgrade der vom Planer übergebenen BIM-Modelle nicht den Vorgaben. Sie müssen häufig modifiziert, korrigiert oder komplett neu erstellt werden. Das kostet Zeit und mindert den Rationalisierungseffekt. Neue IFC-Versionen, Standardisierungsbestrebungen und Forschungsprojekte wie BIM2SIM lassen auf Besserung hoffen.

Autor

Dipl.-Ing. Marian Behaneck: Fachautor zahlreicher Publikationen zu Hardware, Software und IT im Baubereich

Programme und Anbieter
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)

ANSYS Fluent, CFX
www.ansys.com

ASERI, KOBRA 3D, FIREX
www.ist-net.de

Autodesk Simulation CFD
www.autodesk.de

CFdesign
www.upfronteng.com

crowd:it
www.accu-rate.de

Crowd Control
www.siemens.com

FDS, SMV, FDS+Evac
pages.nist.gov/fds

MRFC
www.vib-brandschutz.de

Pathfinder
www.thunderheadeng.com

PedGo
www.traffgo-ht.com

PHOENICS
www.coolplug.com

PTV Viswalk
www.ptvgroup.com

PyroSim, Pathfinder
www.simtego.de

SolidWorks Flow Simulation
www.solidworks.de

STAR-CD, STAR-Works
mdx.plm.automation.siemens.com

Literatur

[1] DIN 18009-1: Brandschutzingenieurwesen – Teil 1: Grundsätze und Regeln für die Anwendung, Beuth, Berlin, September 2016

[2] VDI 6019, Blatt 1: Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden – Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit, VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung, Beuth, Berlin, Mai 2005

[3] VDI 6019, Blatt 2: Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden, Ingenieurmethoden, VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung, Beuth, Berlin, Juli 2009

[4] VdS 2827 – Bemessungsbrände für Brandsimulationen und Brandschutzkonzepte, Beuth, Berlin, Mai 2000

[5] Grewolls, K. und G.: Praxiswissen Brandschutz, Band 1: Simulationen, Feuertrutz Verlag, Köln, 2012

[6]Hosser, D. (Hrsg.): Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes, Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V., Eigenverlag, Altenberge, 2013

[7] Kasburg, J. u.a.: CFD-Brandsimulationen im Hochbau, aus: SSI-Spezial 1/09, SSI, Eigenverlag, Küsnacht, Download: www.ssi-schweiz.ch/wp-content/uploads/2017/11/SSI_Spezial_1_2009.pdf

[8] Kilian, S., Zehfuß, J.: Ansatz für ein nachhaltiges Qualitätsmanagement bei der Entwicklung von Brandsimulationsprogrammen Aus: vfdb-Zeitschrift für Forschung, Technik und Management im Brandschutz, Münster, 2019

[9] Kraft, M., Radusch, T., Rams, B.: Brandsimulation im Praxistest, aus FeuerTRUTZ Magazin 6/2013, Feuertrutz Verlag, Köln

[10] Lämmle, Ch.: Brände am PC simulieren, aus: Moderne Gebäudetechnik 4/2016, Huss Medien, Berlin, 2016

[11] Riese, O., Klippel, A., Schneider, V., Stock, B.: Einfluss der Gitterweite auf die Ergebnisse von Brandsimulationsmodellen und Anwendung auf ein Atrium, aus: Bauphysik 2/2019, Ernst & Sohn, Berlin

[12] Schneider, U.: Ingenieurmethoden im Baulichen Brandschutz. Grundlagen, Normung, Brandsimulationen, Materialdaten und Brandsicherheit, Kontakt & Studium, Band 531, Expert-Verlag, Renningen, 2014

[13] Schubert, S.; Krause, U.: Numerische Untersuchung zur Rauchgasströmung in energieeffizienten Gebäuden mit kontrollierter Wohnraumlüftung, aus: Bautechnik 6/2017, Ernst & Sohn, Berlin

[14] Upmeyer, J.: Prüfung von Ingenieurmethoden des Brandschutzes im Dialog zwischen Fachplaner und Prüfingenieur, aus: Der Prüfingenieur 05/2014, Bundesvereinigung der Prüfingenieure für Bautechnik e.V., Dettmer

[15] Vischer, A.: Sicherheit darstellen, Neue Ingenieurmethoden für die Visualisierung und den Nachweis des Brandschutzes, aus: Deutsches Ingenieurblatt 9/2012, Schiele & Schön, Berlin 

Der Artikel ist im FeuerTrutz Spezial - Band 10: Entrauchung und Evakuierung (November 2019) erschienen.
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Letzte Aktualisierung: 03.02.2020

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