Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden
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- Daniel Siegel
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1 Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Dr. Rainer Könnecke IST GmbH, Frankfurt am Main Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 1
2 Übersicht Eingabegrößen / Bewertungsmethoden (Schutzziele / Brandszenarien) Empirische Korrelationen Zonenmodelle CFD - Grundlagen Allgemeines Randbedingungen Turbulenz Wärmeübertrag Anwendungsbereiche Validierungs- und Anwendungsbeispiele Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 2
3 Brandauswirkungen Brand eines Arbeitsplatzes 3-panel Workstation Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 3
4 Brandauswirkungen Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 4
5 zeitliche Abfolge der Personenrettung während eines Gebäudebrands Brandausbruch Alarmierung Beginn Räumung Ende Räumung Akzeptanzgrenze Einsatzmaßnahmen der Feuerwehr Zeitpfeil Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 5
6 Brandschutzkonzepte Brandszenarien (performance-based) verfügbare / erforderliche Fluchtzeit Ausbreitung von Rauch und Wärme - CFD- Simulation (Feldmodelle) Erträglichkeitsgrenzen / Akzeptanzkriterien Räumungszeiten - Evakuierungsmodelle Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 6
7 Validierungsbeispiele SINTEF-Kohlenwasserstoffbrände (Plume) Raumbrandversuch am Institut der Feuerwehr Sachsen-Anhalt, Heyrothsberge Brandversuche Atrium (vfdb-leitfaden) Minenzufahrtstunnel Brand in Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 7
8 Flame length [m] Plume-Eigenschaften Pool fire (Diesel fuel) Thomas Brötz Heskestad KOBRA-3D Pool diameter [m] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 8
9 BKA Raumbrandexperiment am Institut der Feuerwehr Sachsen- Anhalt, Heyrothsberge 2,55 m 4,76 m 4,76 m Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 9
10 Methode der Materialbestimmung ( generic material identification, Babrauskas, SFPE Handbook) RHR(peak) = 210 * m * fabric * padding * frame * style factor fabric factor = 0.4 (cellulosic) padding factor = 1.0 (polyurethane foam) frame factor = 0.3 (wood) style factor = 1.0 (plain construction) m = combustible mass time base = C * m * Hc / RHR(peak) C = 1.3 (wood frames) Hc = effective heat of combustion ( kj/kg) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 10
11 kw 1000 BKA fire experiment - estimated heat release rate (arm-chair) time [minutes] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 11
12 C Vertical temperature profile inside compartment (BKAHB11a) top (exp.) middle (exp.) bottom (exp.) top (KOBRA-3D) middle (KOBRA-3D) bottom (KOBRA-3D) Time [min] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 12
13 C Vertical temperature profile at door vent (BKAHB11a) cm (exp.) 150 cm (exp.) 110 cm (exp.) 190 cm (KOBRA-3D) 150 cm (KOBRA-3D) 110 cm (KOBRA-3D) Time [min] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 13
14 C Surface temperature of vertical board (BKAHB11a) 250 top (exp.) middle (exp.) bottom (exp.) top (KOBRA-3D) middle (KOBRA-3D) bottom (KOBRA-3D) Time [min] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 14
15 C Surface temperature of table (BKAHB11a) Time [min] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 15
16 Brandversuch Atrium (vfdb Ref. 4, ad hoc 2) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 16
17 Brandversuch Atrium (KOBRA-3D Simulation) Laue Versuch 2 (kleines Tor) BRANDQUELLE Isopropanol Quader Mitten 0 3,25 0,55 1,8 1,8 1,1 // m Ende_Quader hc= // [kj/kg] r_air= 10,3 // [g/g] : Rauchpotential= 0,3 // [m²/g] y_rauch= 0,015 // [g/g] y_co2= 2,01 // [g/g] y_co= 0,003 // [g/g] Q_RATE // [kw] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 17
18 Wärmefreisetzung in kw Wärmefreisetzung berechnet in Abhängigkeit von der Brandstoffmasse und der Temperatur - Ref Versuch Q-m-t Durchschnitt Zeit in Minuten Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 18
19 y [m] Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) Laue Versuch 2 (kleines Tor) x [m] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 19
20 Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) C Temperatur (Laue, Versuch kw) Schlot 1 Schlot 3 Atrium Decke Branddauer [Minuten] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 20
21 Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) Vol.% Kohlendioxid-Konzentration (Laue, Versuch kw) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Schlot 1 Schlot 3 Atrium Decke 0, Branddauer [Minuten] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 21
![z [m] Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) Laue 22.05.](/docs-images/91/107187817/images/22-1.jpg "2003 - Versuch 2 (kleines Tor) T [ C] 12 200 180 10 160 140 120 8 100 80 60 6 40 20 4 0 2 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 x [m] Gastemperatur T: y=3,93 m; t=8 min (480 s)")
22 z [m] Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) Laue Versuch 2 (kleines Tor) T [ C] x [m] Gastemperatur T: y=3,93 m; t=8 min (480 s) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 22
23 Brandversuch Atrium (Fluent-Resultate) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 23
24 z Brandversuch Atrium Strömungsprofile (Fluent- und Kobra-3D-Resultate) 10 9 Laue Versuch 2 (kleines Tor) v [m/s] 9,00 8,40 8 7,80 7,20 7 6,60 6 6,00 5, ,80 4,20 3,60 3,00 2,40 1,80 1,20 0,60 0, x Strömungsgeschwindigkeit v: y=4,08 m; t=8 min (480 s) 1m/s Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 24
25 z Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) Laue Versuch 2 (kleines Tor) v [m/s] 4 4,00 3,50 3 3,00 2,50 2 2,00 1,50 1 1,00 0,50 0, Strömungsgeschw indigkeit v: y=4,22 m; t=8 min (480 s) x 1m/s Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 25
26 z Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) 14 Laue Versuch 2 (kleines Tor) v [m/s] ,00 7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3, x Strömungsgeschw indigkeit v: y=5,10 m; t=8 min (480 s) 3m/s Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 26
![z [m] Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) 16 Laue 22.05.](/docs-images/91/107187817/images/27-1.jpg "2003 - Versuch 2 (kleines Tor) D [1/m] 14 12 10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 8 6 0,30 0,20 0,10 0,00 4 2 0-2 0 2 4 6 8 10 y [m] optische Dichte D: x=-2,10 m; t=8 min")
27 z [m] Brandversuch Atrium (KOBRA-3D-Resultate) 16 Laue Versuch 2 (kleines Tor) D [1/m] ,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0, ,30 0,20 0,10 0, y [m] optische Dichte D: x=-2,10 m; t=8 min (480 s) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 27
28 Brandversuch Atrium (1:10-Modell IFI) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 28
29 Brandversuch Atrium (Ergebnisübersicht) Kobra 3D Kobra 3D CFX phys. Imtech MRFC FLUENT phys. IFI FIGARO FDS Versuch Brandleistung [kw] Temperatur Schlot Temperatur Schlot Strömungsg. Schlot ,7 5,2 6 5,3 4,2 4,9 5,9 5,5 Strömungsg. Schlot ,2 3,8 6 5,6 4,2 4,9 6,2 5,5 Dicke raucharme Schicht Atrium ,5-2,0 1,5-2, ,5 4, Temperatur Rauchgas Atrium Zuluftgeschwindigkeit 3 3,1 3,1 2,9 2,1 3,5 3 CO2-Konzentration Rauchgas Atrium 0,7 0, ,2 2 0,9 1 Modellmassstab 1:4 1:20 1:1 T [ C], v [m/s], C [Vol.%] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 29
30 Brandversuch Atrium + Brandraum Laue ( Versuch 1) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 30
31 CFX-Simulation Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 31
![z [m] Brandversuch Atrium + Brandraum Kobra-3D 16 Laue (22.05.](/docs-images/91/107187817/images/32-1.jpg "2003 - Versuch 1) T [ C] 14 12 10 1000 902 802 701 8 6 4 2 601 500 402 302 201 101 0 0 5 10 15 y [m] Gastemperatur T: x=-0,63 m; t=2 min (120 s) 0 Referent:")
32 z [m] Brandversuch Atrium + Brandraum Kobra-3D 16 Laue ( Versuch 1) T [ C] y [m] Gastemperatur T: x=-0,63 m; t=2 min (120 s) 0 Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 32
![Brand in Minenzufahrtstunnel (Experiment und KOBRA-3D-Simulation) 2,0 1,5 z [m] 1,0 0,5 0,0 Tunnel_Londonderry, 0.](/docs-images/91/107187817/images/33-1.jpg "85 m/s -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 x [m] Gastemperatur T: y=-0,06 m; t=1200,0s T [ C] 500 400 300 200 100 0 Referent: Dr.")
33 Brand in Minenzufahrtstunnel (Experiment und KOBRA-3D-Simulation) 2,0 1,5 z [m] 1,0 0,5 0,0 Tunnel_Londonderry, 0.85 m/s x [m] Gastemperatur T: y=-0,06 m; t=1200,0s T [ C] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 33
34 Temperaturen im Vergleich an div. Meßstellen T [ C] Vertikales Temperaturprofil x=13m (exp.) x=18m (exp.) x=30m (exp.) x=40m (exp.) x=13m (calc.) x=18m (calc.) x=30m (calc.) x=40m (calc.) ,5 1 1,5 2 Höhe über dem Boden z [m] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 34
35 Rauchausbreitung gegen Ventilationsströmung Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 35
36 Rauchausbreitung (nat. Vent., 15 MW-Brand; Videos) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 36
37 Rauchausbreitung (nat. Vent., 15 MW-Brand) Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 37
38 Brand in einer Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 38
39 Brand in einer Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 39
40 Brand in einer Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 40
41 Brand in einer Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 41
42 Brand in einer Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 42
43 Brand in einer Tiefgarage Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 43
44 Brand in einer Tiefgarage m y This area is not part of the car park. x 35 m Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 44
45 Brand in einer Tiefgarage kw Rate of Heat Release total car 1 car 2 car 3 car 1 car2 car3 total Bemessungsbrand PKW - Au / F Time [min] Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 45
![z [m] z [m] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Underground car park Leipzig - optical density per meter D 0 5](/docs-images/91/107187817/images/46-1.jpg "10 15 20 25 30 35 x [m] optische Underground Dichte D: y=8,75 car park m t=300,1s Leipzig - optical density per meter D 0")
![5 10 15 20 25 30 35 x [m] optische Dichte D: y=8,75 m t=600,1s D [1/m] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 D [1/m] 1,00 0,80](/docs-images/91/107187817/images/46-2.jpg "0,60 0,40 0,20 0,00 Referent: Dr.")
46 z [m] z [m] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Underground car park Leipzig - optical density per meter D x [m] optische Underground Dichte D: y=8,75 car park m t=300,1s Leipzig - optical density per meter D x [m] optische Dichte D: y=8,75 m t=600,1s D [1/m] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 D [1/m] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 46
![z [m] z [m] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2,5 2,0 1,5 Underground car park Leipzig - gas temperature T 0 5 10 15 20 25](/docs-images/91/107187817/images/47-0.jpg "30 35 x [m] Gastemperatur T: y=11,95 m t=1800,1s Underground car park Leipzig - gas temperature T T [ C] 500 400")
![300 200 100 0 T [ C] 500 400 300 1,0 0,5 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 x [m] Gastemperatur T: y=8,75 m t=1800,1s 200](/docs-images/91/107187817/images/47-1.jpg "100 0 Referent: Dr.")
47 z [m] z [m] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 2,5 2,0 1,5 Underground car park Leipzig - gas temperature T x [m] Gastemperatur T: y=11,95 m t=1800,1s Underground car park Leipzig - gas temperature T T [ C] T [ C] ,0 0,5 0, x [m] Gastemperatur T: y=8,75 m t=1800,1s Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 47
48 Brand in einer Tiefgarage in Leipzig - Zusammenfassung der Resultate - Beobachtungen FIGARO KOBRA-3D Sichtweite 5 min: reduziert ebenso ebenso Rauchausbreitung 9 min: unerträglich Heißgas-Trennschicht - geschlossenes Ende 70 cm cm 100 cm - Brandabschnitt 100 cm cm 100 cm - offenes Ende 150 cm cm 120 cm Deckentemperatur über Brandherd (nach 30 min) 0 / 1.5 / 3.5 cm depth 560 / 395 / 215 C 550 / 350 / 160 C (über PKW 2) Gas Temperatur bei Stütze (1.6 m) 250 C 450 C C Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 48
49 Anwendungsbeispiel U-Bahnstation Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 49
![z [m] z [m] U -Bahn Mes s e Frankf urt / M.](/docs-images/91/107187817/images/50-2.jpg "- Sz enarium A U-Bahn- Station mit großer Halle und Lichtöffnungen 14 12 10 8")
![0,10 0,00 D [1/m] 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Referent: Dr.](/docs-images/91/107187817/images/50-5.jpg "Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz")
50 z [m] z [m] U -Bahn Mes s e Frankf urt / M. - Sz enarium A U-Bahn- Station mit großer Halle und Lichtöffnungen U-Bahn Messe Frankfurt / M. - Brand in U-Bahn unterhalb Lichtkegel II x [m] optische Dichte D: y=0,80 m; t= 6 min (360 s) U-Bahn Messe Frankfurt / M. - Brand in U-Bahn unterhalb Lichtkegel II x [m] optische Dichte D: y=0,80 m; t= 11 min (660 s) D [1/m] 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 D [1/m] 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 50
51 U-Bahn-Station mit Deckenspeicher Bockenheimer Warte - Brand in U-Bahn zwische Stütze 4 und 5 (Szenarium A) Rauchausbreitung bei m³/h Abluftleistung Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 51
52 Bei der CFD-Modellierung ist zu beachten: Ausreichend feines Gitter im Bereich der Brandquelle (Plume), Öffnungen, Detektoren und umströmten Kanten Keine zu großen Aspektverhältnisse der Kantenlängen Sanfter Übergang zwischen feinen und gröberen Zellen Im Zweifel: Test unterschiedlicher Gitterauflösungen Geeignete Wahl der Randbedingungen (Umgebung) Kontrolle der Brandquelle (Flammentemperatur nicht über 1300 C und auch nicht zu klein für Nahfeldbetrachtungen) Berücksichtigung von Strahlungsverlust und Wärmeverluste an die Umfassungsbauteile und Objekte Gegebenenfalls Berücksichtigung ventilationsgesteuerter Brände Referent: Dr. Rainer Könnecke Rauch- und Wärmeausbreitung in komplexen Gebäuden Brandschutz III WS2012/13 52
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