Entrauchungs-Simulationen In komplexen Räumen zur Personensicherheit

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1 Entrauchungs-Simulationen In komplexen Räumen zur Personensicherheit Raffinierte Lösungen / Schlanke Technik durch Synergie-Effekte Dr. Alois Schälin VDI/Stuttgart

2 Firmenportrait Expertenteam mit rund 35 Mitarbeitern Zahlen & Fakten 1995 als Spin-Off der ETH gegründet Seit 2000 als AG unter AFC Air Flow Consulting AG tätig 2014 Expertenteam mit rund 35 Mitarbeitern Hauptsitz Zürich, Geschäftsstellen Bern, Basel, Luzern Technische Infrastruktur auf höchstem Niveau

3 Stärken von AFC Wissenschaftlicher Background Langjährige Erfahrung in Strömungs-Simulationen Hohes Verständnis für Luftströmungen Disziplinen-übergreifendes Know-how Höchste Qualitätsanforderungen Ermöglicht die Entwicklung von innovativen, kostengünstigen und nachhaltigen Lösungen Know-how Lüftung Know-how Entrauchung Know-how Strömungssimulationen Innovative, kostengünstige und nachhaltige Lösungen z.b. Parking-Lüftung

4 AFC Fyrabig Info Kennenlernen von AFC Know-How & Dienstleistungen Mitarbeiter Neuigkeiten bei AFC Kontaktpflege, Geselligkeit, Austausch & Networking In regelmässigen Abständen Programm & Daten auf

5 Inhalt Der SWKI Richtlinienarbeit in der Schweiz TGA-Planung und Simulationen CFD für Raumluftströmungen Brandrauchsimulationen und Schutzziele Anwendungsbeispiele

6 6 Der SWKI besteht seit 1962 und ist aus der Sektion Schweiz des ASHRAE (The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. Atlanta, hervorgegangen. Der Verein ist mit dem ASHRAE affiliert und der REHVA (Federation of European Heating and Air-Conditioning Associations, der europäischen Dachorganisation der nationalen Fachvereine, angeschlossen. Seit November 2008 ist der SWKI Fachverein des SIA (Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein) in der Berufsgruppe Technik/Industrie (SIA-BG T/I,

7 7 Mitgliedschaft: Einzelmitglieder Mitgliederzahl: ca. 600 Relevanz: Grösster Ing.-Verein der HLKSE-Branche in der CH Kernkompetenz: Richtlinien erarbeiten für die Gebäudetechnik-Branche Vereinsarbeit: Die Vereinsarbeit erfolgt im Milizsystem (Volontariat) Kontakt: Internet: Präsident: Andreas Bayer (2014) Status: Fachverein in SIA-BG T/I

8 Zum SWKI Entspricht in Deutschland dem VDI, Sektion TGA (= Schwesterverein ) Im Normen-/Richtlinienbereich Zusammenarbeit mit Deutschland (auch mit DIN usw.) Teilweise auch Übernahme ganzer Normen (Lizenzabdrucke), Bsp.: Hygiene-Richtlinie VDI 6022, Teil 1 und 2 Schweiz VA- 104 zu 100% Richtlinie Spitalbauten 99-3 D/F VDI 2167 (zu ca. 80%)

9 Richtlinienarbeit Alois Schälin Obmann der Richtlinie VSWKI BT101-04: «Ingenieurverfahren zur Bemessung von Entrauchungsanlagen Grundlagen», Veröffentlicht 2011 Obmann der Richtlinie SWKI VA103-01: «Lüftungsanlagen für Fahrzeug-Einstellhallen», in Vernehmlassung Ende 2014 Zusammenarbeit mit dem VDI, speziell bei vdi 2053 Teil 1

10 Richtlinienreihe SWKI BT101 (1) prswki BT101-01: Grundlagen und allgemeine Anforderungen prswki BT101-02: Entrauchungsanlagen (Planung, Realisierung, Qualifizierung, Betrieb) prswki BT101-03: Überdruckbelüftungsanlagen (Planung, Realisierung, Qualifizierung, Betrieb) 1 2 3

11 Richtlinienreihe SWKI BT101 (2) VSWKI BT101-04: Ingenieurverfahren zur Bemessung von Entrauchungsanlagen Grundlagen SWKI BT ( = VDI 6019 Blatt 1 und 2): Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden 4 5

12 Gebäudeplanung Viele Interessen im Wettstreit Ziele, Anforderungen Planerteam Bauherr Betreiber Benutzer Baubehörden GebäudeTools Architekt Statik/Konstruktion Bauphysik HLK Fassadenplanung Brandbehörden Andere Fachplaner...

13 Fragestellungen in der Gebäudetechnik Gebäudetechnik a. Im Gebäude b. Gebäudehülle TGA-Planung c. Umgebung des Gebäudes Bauklimatik Brandschutz Spezielle Lüftungsfragen Immissionen, Emissionen (z.b. Garagenentlüftung, Ausbreitung von Kaminabgasen )...

14 Fragen in der Bauklimatik Gebäudetechnik a. Im Gebäude Kann der Raumkomfort sichergestellt werden? Zieht es im geplanten Büro? Was kann bei akuten Komfortproblemen gemacht werden? Wie ist die Strömungsverteilung beim Einsatz spezieller Dralleinlässe? b. Gebäudehülle Wie ist der saisonale Temperaturverlauf in einem typischen Sommer? Gibt es Überhitzungsprobleme im Sommer? Funktioniert die Lüftung der Doppelfassade? c. Umgebung des Gebäudes Wird ein ausreichender Luftwechsel mit natürlicher Lüftung erreicht? Wind: Komfort bei Eingängen Wind: Funktion Storen Und viele weitere Simulationen helfen Lösungen entwickeln!

15 Fragen im Brandschutz RWA Wie lange bleiben Fluchtwege Rauchfrei? Ausreichend für die Evakuation? Ausreichend für die Rettungskräfte? Wie muss die Entrauchungsanlage dimensioniert werden? Evakuation Wie kann eine sichere Evakuation im Brandfall gewährleistet werden? Wie lange dauert eine Evakuation des Gebäude? Wie müssen die Fluchtwege dimensioniert werden? Brandraumtemperaturen Wie hoch sind die Temperaturen an kritischen Punkten? Lösen Sprinkler aus? Nach welcher Zeit? Und viele weitere Simulationen helfen Lösungen entwickeln!

16 Fragen in Reinraumtechnik / Industrielüftung Wie kann der Arbeiter von Luftschadstoffen geschützt werden? Bringt das geplante Absaugsystem die gewünschte Wirkung? Wie kann das Produkt vor Verunreinigung effizient geschützt werden (Reinraum)? Wie kann eine Zonentrennung von sauberer / kontaminierter Luft erreicht werden? Wie breiten sich Schadstoffe von einem Hochkamin aus? Gibt es Auswirkungen auf umliegende Gebäude? Und viele weitere Simulationen helfen Lösungen entwickeln!

17 Simulationen in der Gebäudetechnik Verschiedene Simulationen je nach Aufgabestellung Energie/Innenraumklima/Komfort Energiebilanz (Excel Spreadsheet) Norm-Rechenverfahren (Energienachweise) Thermische Simulation 1 Zone (Helios, IDA-Raum,...) Thermische Simulation Mehrzonen (TAS, IDA, TRNSYS, DOE-2,...) Strömungs-Simulation Klima (CFD = Computational Fluid Dynamics)... Brandschutz: Entrauchung, Evakuation 1-Zonen, Mehrzonen-Simulation Entrauchung (CFAST, MRFC,...) Strömungs-Simulation Entrauchung (CFD) Thermische Beurteilung Bauteile Personen-Evakuation (Exodus, Pedgo, SimWalk,..)...

18 Simulationen in der Gebäudetechnik Verschiedene Simulationen je nach Aufgabestellung Aussenumströmung/Doppelfassaden/ Abgastransport/Komfort in Eingängen Strömungs-Simulation Klima (thermische Fragen) Strömungs-Simulation Wind & Schadstoffe Weitere Aufgaben Tageslicht in Atrien, Kunstlicht (Relux,...) Wärmebrücken... Statik,...

19 Unsere Herausforderung Intelligente Lösungen Erreichen der Ziele mit ökonomischem Mitteleinsatz Zugunsten Energieverbrauch Zugunsten der Umwelt Zugunsten der Kosten Schlanke Technik Nutzung von Synergien Diese Vorgehensweise ist nur möglich mit: Verständnis der grundlegenden physikalischen Vorgänge Geeignete Nachweismethoden, wie Simulationen Know-how und Erfahrung

20 Detaillierungsgrad der Simulation Planungswerkzeuge Detaillierungsgrad der Planungsinstrumente Optimales Planungsinstrument für Aufgabe optimales Planungsinstrument zur Bewältigung der Aufgabe hoch MZ + CFD + Lichtsimulation Planungsinstrument zu aufwendig zu aufwendiges Planungsinstrument für die gestellte Aufgabe Temperaturschichtung, natürliche Lüftung, Entrauchung, Tageslichtvisualisierung MZ +Strömungssimulation (CFD) Raumluftströmung, Zugluftrisiko, Kaltluftabfall mittel Mehrzonenmodell (MZ) Berücksichtig mehrere Räume oder ganze Gebäude, inkl. Anlagensimulation niedrig Erfahrungswerte Einzonenmodell (EZ) tief Temperaturen C Aussenluft Raumluft Basis Raumluft Variante Woche im Frühsommer Normen und Richtlinien (Stand der Technik) CEN, SN, SIA, SWKI, etc. Temperatur- und Lastverläufe einzelner Räume Aufgabe zu komplex Planungsinstrument für gewähltes kann die hohe Komplexität der Aufgabe Planungsinstrument nur unzureichend bewältigen Zunehmende Komplexität der Planungsaufgabe hoch Komplexität der Planungsaufgabe

21 Brandrauchsimulation 1. Brand/Szenario 2. Gefährdung Rauchausbreitung 5m 3. Schutzziele 4. Entwicklung Massnahmen, Nachweis 4m 3m 10m 2m 1m 0

22 Phasen eines Brandfalles Typische Brandphasen Abhängig von Brennmaterial, Umgebung, Sauerstoffzufuhr... Wärmefreisetzung Für Selbstrettung entscheidend! Erste Minuten! Flash-over Schwelbrand Brandausbreitung Vollentwickelter Abklin

23 Risiken im Brandfall Einflüsse im Brandfall auf den Menschen Wärmestrahlung (z.b. aus der Heissgasschicht) Wärmefreisetzung (warme Luft) Konzentration von toxischen Gasen Konzentration von reizenden oder korrosiven Gasen Einschränkung von Sichtweiten Einsturz der Tragstrukturen: Decke, Wände, Pfeiler

24 Schutzziele Tabelle VSWKI BT101-04, Teil 1

25 Schutzziele Tabelle VSWKI BT101-04, Teil 2 Tabelle 4: Rechnerische Grenzwerte für Überlebensbedingungen nach verschiedenen Quellen bzw. Zielwerte SWKI. * Je nach Raumhöhe, vgl. Abbildung 4 **abgeleitet aus der max. mittleren Raumtemperatur (Lufttemperatur inklusive Strahlungseinfluss) in der raucharmen Schicht von < 70 C (VDI) *** für reflektierende (nicht sicherheitsbeleuchtete) Rettungszeichen. **** für sicherheitsbeleuchtete Rettungszeichen ***** Kompromisswert zwischen 100 ppm (Richt-wert für Normallüftung Parking für 30 min gemäss SWKI 96-1) und 700 ppm (aus VdS 2827) Bemerkung: Die Grenz- und Zielwerte dürfen nicht ohne die dazu gehörende Zeitdauer herbeigezogen bzw. verglichen werden (vgl. Ziffer 3.3.4). Quellenangaben in Tabelle 4: VdS = aus VdS 2827: Basis-Grenzwert in Spalte 1, Grenzwerte mit Sicherheitsfaktor in Spalte 2 vfdb06 = aus vfdb TB 04/01 [1], Tab. 3.4: Werte in Spalte 1 für Aufenthaltsdauer von < 5 min, Werte in Spalte 2 für < 30 min Vfdb09 = aus vfdb TB [2], Tab. 8.2: Werte in Spalte 1 für Aufenthaltsdauer von < 5 min, Werte in Spalte 2 für < 30 min VDI = aus VDI 6019 Blatt 1 und Blatt 2 bzw. SWKI BT DIN = aus DIN bzw. DIN CEN = aus CEN/TR [3] TUM = aus Forschungsbericht Band A der TU München [4]

26 Schutzziele 5m Sichtweite 10m Orientierung auf einer Höhe von 2.5m 25m Sichtweite von selbstleuchtenden Zeichen auf einer Höhe von 2.5m Bei Schichtung (Normalfall) bedeutet dies rauchfrei auf 2.0m 4m 3m 2m 10m 25m 1m 0 Höhe Beschilderung ist nicht geregelt

27 Ziele der Entrauchung / Sichtweite Sichtweite 10 m Orientierung auf einer Höhe von 2.5m 25 m Sichtweite von selbstleuchtenden Zeichen auf einer Höhe von 2.5m Bei Schichtung (Normalfall) bedeutet dies rauchfrei auf 2.0m

28 Kap. 4 Brandszenarien Standard-Brandszenarien

29 Kap. 4 Brandszenarien Standard-Brandszenarien

30 Kap. 4 Brandszenarien Szenarien in anderen Richtlinien Werk Inhalt Szenarien Wärme Spezifikation Rauchproduktion VdS 2827 Brandleistungen, t2-kurven ca. 1 bis 6 MW, nicht konkretisiert keine DIN NRA Einfache Tabelle für Einzelzelle BMG-Gruppen, 1,5 bis 24 MW, nicht konkretisiert keine DIN MRA Einfache Tabelle für Einzelzelle BMG-Gruppen, 3 bis 48 MW, nicht konkretisiert keine VDI 6019 Blatt 1 Brandkurven, Auslösung Sprinkler/BMA, Versuche nicht konkretisiert keine VDI 6019 Blatt 2 Ingenieurmethoden nicht konkretisiert, ausser «niederenergetisch» 100 kw keine, ausser «niederenergetisch» 100 kw Vfdb TB04/01 Ingenieurmethoden wie VdS 2827 keine

31 CFD, Schritt 1: Definition Fragestellung Im EG gibt es Tresen für den Empfang: Bietet Tresen einen genügenden Schutz gegen Zuglufterscheinungen? Falls nicht, welche Massnahme bewirkt eine wie grosse Verbesserung? Das Zugluftrisiko im Eingangsbereich und hinter dem Tresen soll mittels CFD ermittelt werden. Zugluft kann durch folgende Effekte entstehen: Fassade im EG über zwei Geschosse Verglastes Dach. Es besteht die Möglichkeit, dass die am Dach abgekühlte Luft bis nach unten strömt. Drehtüren, welche am Morgen permanent drehen und im Winter kalte Aussenluft in die Halle fördern. CFD = Computational Fluid Dynamics 31

32 CFD, Schritt 2: Geometrieerstellung mit 3D CAD RWA Profile Pfostenprofile Randverbund Verdichtung Bodenheizung, 1.5m breit Kunst des CFD Ingenieurs: Welches Detail ist wichtig für die Strömung? Bei zu vielen Details ist Modell sehr schnell nicht mehr rechenbar! 32

33 CFD, Schritt 3: Gittergenerierung Numerische Diskretisierung des Raumes im bis mehrere Mio. Zellen Schnitt durch Volumengitter 33

34 CFD, Schritt 3: Gittergenerierung Typische Regionen mit erhöhter Feinheit Senkrecht zur Fassade gibt es bei Kaltluftabfall in der Grenzschicht hohe Gradienten (Wertänderung pro Länge) von Geschwindigkeit und Temperatur In diese Richtung ist feineres Gitter erforderlich. Mit grobem Gitter wird der Kaltluftabfall durch numerische Diffusion stark abgeschwächt, wodurch der zu erwartende Komfort zu optimistisch bewertet wird. Kaltluftabfallströmung wird am Boden umgelenkt und strömt zu den Füssen der Personen. Senkrecht zum Boden ist feineres Gitter erforderlich. Mit grobem Gitter wird die Strömung parallel zum Boden durch numerische Diffusion stark abgeschwächt, wodurch der zu erwartende Komfort zu optimistisch bewertet wird. 34

35 CFD, Schritt 4: Definition Randbedingungen und stationäre Energiebilanz Aussentemperatur: -10 C Solltemperatur Halle: 22 C Alternativ: Thermische Simulation 35

36 CFD, Schritt 5: Zuordnung Randbedingungen auf Randzellen Fassadenglas, z.b. spezifiziert mit Wärmedurchgangskoeffizient und Aussentemperatur 36

37 CFD, Schritt 6: Numerische Lösung Gleichungen Numerische Lösung der zeitlich gemittelten Transportgleichungen Turbulente Strömung mit kleinen stochastischen Wirbeln ( Zitterbewegung ) Zeitliche Mittelung (U) des Feldes in jedem Punkt Zeitlich gemittelte Strömung enthält nur vorhersagbare Strukturen, ohne Zitterbewegung Kontinuität (Erhaltung der Masse) Impuls (Navier Stokes) Energie Turbulente Korrelationen (Transport durch Turbulenz) werden modelliert, z.b. mit turbulenter Viskosität.

38 CFD, Schritt 7: Darstellung und Interpretation Res. Zur Bewertung des Zugluftrisikos wurde die DR-Skala herangezogen. Diese ist eine Funktion der lokalen Lufttemperatur, der mittleren Geschwindigkeit und des Turbulenzgrades und beschreibt den prozentualen Anteil der Personen, die sich unbehaglich fühlen. Der kleinstmögliche DR Wert ist 5%. Gemäss SIA 382/1 ist in Bürogebäuden für einen guten Komfort von einem Zugluftrisiko von 15% auszugehen. 38

39 Strömungsberechnung (CFD) Vorteile gegenüber Zonenmodellen: Komplexe Geometrien mit komplexen Strömungen Einflusse verschiedener Strömungsphänomene berücksichtigt (z.b. Interaktion mit Nachströmung, Jetventilator) Quantitative Aussagen zur Verrauchung für verschiedene Rauchproduktionen bei Durchmischung

40 Strömungsberechnung (CFD) Vorteile gegenüber Zonenmodellen: Komplexe Geometrien mit komplexen Strömungen Einflusse verschiedener Strömungsphänomene berücksichtigt (z.b. Interaktion mit Nachströmung, Jetventilator) Quantitative Aussagen zur Verrauchung für verschiedene Rauchproduktionen bei Durchmischung Zeigt unerwartete Probleme Schlecht belüftete Zonen Verrauchte Fluchtwege usw.

41 Erste CFD-Simulation für Raumströmung Erste CFD-Simulation für Raumströmung Toshio Terai dim. Fall: 10*10 Zellen Linke Seite: Heisse Wand Rechte Seite: Kalte Wand Heiss Kalt

42 Erste CFD-Simulation für Raumströmung Iteration von Hand 2 ½ Jahre Arbeit

43 Geschichte der Brandsimulationen mit CFD Bahnbrechend: Anwendung von CFD für den Brandfall King s Cross Station in London 1987 Ueber 30 Tote Von Y. Sinai (Ansys CFX, UK)

44 King s Cross Station Brandfall Von Y. Sinai (Ansys CFX, Von Y. Sinai (Ansys CFX, UK)

45 King s Cross Station Brandfall Von Y. Sinai (Ansys CFX, Von Y. Sinai (Ansys CFX, UK)

46 King s Cross Station Brandfall Von Y. Sinai (Ansys CFX, UK)

47 Modellversuche Physikalische Modelle im Labor Massstab 1:10, 1:30 oder andere Umstritten, da im Prinzip physikalisch nicht rechtfertigbar Modellierung des Brandherds besonders heikel (Nachströmung) Verdünnung von Propan als Indikator für Rauch Aus unserer Sicht möglich, wenn für ähnliche Fälle validiert

48 Hochhaus Basel: Geometrie Lage und aktuelle Umgebung Hochaus Biozentrum Nord

49 Hochhaus Basel : Geometrie CAD-Modell Türe EG EG Personen im UG1 Türe EG Türe UG

50 Hochhaus Basel: Winterfall stationär Temperatur auf vertikalen Ebenen Nord

51 Hochhaus Basel: Winterfall transient Temperaturen auf einer Ebene 0.05m über dem Boden im UG1, Türe soeben geöffnet offene Türe im UG1 Nord

52 Hochhaus Basel: Winterfall transient Temperaturen auf einer Ebene 0.05m über dem Boden im UG1 nach 30s offene Türe im UG1 Einströmende, kalte Luft aufgrund offener Türe Nord

53 Hochhaus Basel: Winterfall transient Temperaturen auf einer Ebene 0.05m über dem Boden im UG1 nach 60s offene Türe im UG1 Einströmende, kalte Luft aufgrund offener Türe Nord

54 W/m² Hochhaus Basel: Sommerfall stationär Solarer Eintrag mit Storen, Gewählter Tag: 12.6 Gewählte Zeit: 8.00 Uhr, totaler Solarer Eintrag 403 W/m² Anteile Fassade: SW 214 m² 29 W/m² NO 217 m² 284 W/m² NW 178 m² 30 W/m² SO 188 m² 61 W/m² Solarer Eintrag über die Fassaden Gewählter Zeitpunkt -> maximaler solarer Eintrag SW NO NW SO Stunde

55 Hochhaus Basel: Sommerfall stationär Temperatur auf vertikalen Ebenen NO-Fassade maximaler, solarer Eintrag ergibt hohe Temperaturen in diesem Bereich Nord

56 Hochhaus Basel: Sommerfall transient Temperaturen auf einer Ebene 0.05m über dem Boden im UG1 nach 30s offene Türe im UG1 Unproblematisch im Sommer, trotz geöffneter Türe Nord

57 Hochhaus Basel: Geometrie Umströmung Lage und aktuelle Umgebung Nord

58 Hochhaus Basel: Geometrie Umströmung CAD-Modell umliegende Gebäude Nord

59 Hochhaus Basel: Geometrie Umströmung CAD-Modell umliegende Gebäude Nord

60 Hochhaus Basel: Umströmung Windrose, Zeitraum gesamtes Jahr Wind Rose for BaselBinnigen_SIA_normal.tm2 - Entire Year Nord Lage Gebäude zu Windrichtungen Höchste Windgeschwindigkeiten

61 Hochhaus Basel: Umströmung Windgeschwindigkeit auf 10m = 4 m/s Geschwindigkeitsverteilung auf 3 m Höhe Windrichtung Nord

62 Hochhaus Basel: Umströmung Windgeschwindigkeit auf 10m = 4 m/s Geschwindigkeitsverteilung vertikalem Schnitt in Windrichtung Windrichtung

63 Hochhaus Basel: Umströmung Windgeschwindigkeit auf 10m = 4 m/s Geschwindigkeitsstromlinien Hochaus

64 Fall 4: Strömung durch eine Drehtüre Für guten Komfort und kleine Energieverluste durch Strömung im Winter ist es also wichtig, dass möglichst nie Öffnungen auf verschiedenen Höhen durch einen Luftraum miteinander verbunden sind. Mittels Drehtüren kann die Öffnung bei Eingängen verhindert werden. Wie in der Animation der Drehtüre gezeigt, gibt es jedoch auch bei Drehtüren einen gewissen Luftaustausch: Luftaustausch infolge Schaufelwirkung der Drehbewegung Luftaustausch durch Temperaturdifferenz zwischen Drehtürsegment und innen, resp. aussen 64

65 Fall 4: Strömung durch eine Drehtüre Im Paper L.F.Schutrun et al, Air Infiltration through Revolving Doors, Ashrae Journal, November 1961 wurden beide Effekte in einem halbanalytischen Modell berücksichtigt und mit Messungen verglichen. AFC hat das Modell nachprogrammiert und mit CFD Simulationen verglichen. Die Daten stimmen sehr gut überein. Folgende Darstellung zeigt ein Beispiel: Die Luftvolumenströme sind nicht vernachlässigbar aber deutlich kleiner als ohne Drehtüre. 65

66 Hochhaus Basel: Brandfall Entrauchungskonzept Schnitt OG1 EG UG1

67 Hochhaus Basel: Brandfall Schutzziele Brandort Sachwertschutz Personensicherheit Feuerwehreinsatz Atrium m raucharme Schicht für 15 Minuten in jedem Geschoss, in dem sich Personen aufhalten 2.0 m raucharme Schicht für 30 Minuten im Brandgeschoss Sämtliche Schutzziele sind eingehalten.

68 Brandleistung (kw) Hochhaus Basel: Brandfall Brandleistungskurve in der Simulation (Atrium) Ohne Sprinkler Mit Sprinkler (zum Vergleich) Zeit (min)

69 Volumenstrom RWA (m 3 /h) Brandleistung (MW) Hochhaus Basel: Brandfall Zeitlicher Verlauf der RWA (blaue Kurve) und zeitlicher Verlauf der Brandleistung (grüne Kurve) Volumenstrom RWA Brandleistung Zeit (min)

70 Hochhaus Basel: Brandfall Rechengitter: Schnitt durch den Brandort im Atrium

71 Hochhaus Basel: Brandfall Resultat: Rauchkonzentration auf vertikalen Schnitten nach 15 min

72 Hochhaus Basel: Brandfall Resultat: Rauchkonzentration auf 2.5 m im UG1 nach 15 min

73 Hochhaus Basel: Brandfall Resultat: Rauchkonzentration auf 2.5 m im EG nach 15 min

74 Hochhaus Basel: Brandfall Resultat: Rauchkonzentration auf 2.5 m im OG1 nach 15 min

75 Veranstaltungshalle Luzern Erstes Konzept mit Nachströmung über separaten Eingang mit automat. Türen zur Bühne Entwicklung Alternativkonzept mit hoher Sicherheit Resultate nach15 Minuten 120 mg/m 3 80 mg/m m 5 m 40 mg/m 3 0 mg/m 3 10 m Frei Neues Konzept 2: V02 Nat. Abströmung Dach 1: 4 m 2 Nachströmung Dach 2: 4 m 2

76 Veranstaltungshalle Luzern Resultate nach15 Minuten 120 mg/m 3 80 mg/m m 5 m 40 mg/m 3 0 mg/m 3 10 m Frei Neues Konzept 2: V07 Nat. Abströmung Dach 1: 6 m 2 Nachströmung Dach 2: 6 m 2

77 RWA in Einkaufszentrum in Zürich: Umbau Vergleich verschiedener Massnahmen mit gleichem Ziel Mall 2-geschossig 9 m hoch Kosten für Schürzen, RWA, Nachströmungen usw. Kosten Var Kosten Var

78 RWA in Einkaufszentrum in Zürich: Umbau Galerie Auf Obergeschoss Fluchtweg!! Fluchtwegbereich

79 RWA Konzept 1 Nachströmung total: 13 m² Fluchtwegbereich 3.05 m 5.06 m Mall 9.00 m 0.75 m 1.00 m 2.80 m Restaurant 2.25 m 1.50 m 2.90 m 1.30 MW (A&W) 3.75 m F Nachströmung total: 25.6 m²

80 RWA Konzept 2 Schematischer Schnitt A-A Einzel Ventilator mittig auf Dach: m³/h 2x Ventilator mit Kanal (vor Schürze): 2x m³h Nachströmung 3 Fenster im Dach: 3 x 2.50 m² Fluchtwegbereich Doppeldecke muss geschlossen sein und mit Höhendifferenz cm ab UK Schürze 2.55 m 3.05 m 5.06 m Mall 9.00 m 0.75 m 1.00 m 2.80 m Restaurant 2.25 m 1.50 m 2.90 m 1.30 MW (A&W) Nachströmung Fenster (OK 2.65m): 2.20 m m Massgebend für die RWA-Fläche ist die Höhendifferenz zwischen OK Sturz und UK Schürze F 2x Nachströmung Fenster (OK 4.85m): 4.40 m² 2x Nachströmung Türe: 3.50 m²

81 RWA Konzept 2 Nachströmung über Oblicht, 3x 2.5m² Nachströmung über Restaurant, 7m 2 Ventilator mit verteilter Absaugung m 3 /h Einzelventilator, m 3 /h in der Mitte Schürze zwischen Läden und Galerie, UK 2.25m ab Boden OG1 (bestehend) Ventilator mit verteilter Absaugung m 3 /h Feste Schürze beim Träger (bestehend) Ost- und Westseite: Nachströmung total 17m 2

82 Resultate CFD Konzept 2 Nach 10 min (Schutzziel), V43 Horizontal 2.5m über Galerieboden Vertikalschnitte

83 Rauchversuch

84 Kombination von RWA und CO Lüftung in Parkings Typische RWA-Anlage und CO-Anlage RWA und CO getrennt CO-Lüftung nach SWKI 96-1 CO-Lüftung (Fortluft) OG2 OG1 EG RWA (Fortluft) UG1 RWA (Zuluft, Nachströmung) CO-Lüftung (Zuluft)

85 Nachweisverfahren Vereinfachtes Lüftungskonzept ist mit Nachweis durch Simulation möglich. Anhand von einem Nachweis muss eine genügend gute Luftqualität nachgewiesen werden. Was heisst gute Luftqualität? Nicht schlechter als Luftqualität gemäss SWKI 96-1 Arbeitsschritte: Schritt 1: Simulation der CO-Konzentrationen bei der Lüftung gemäss SWKI Blatt Schritt 2: Simulation der CO-Konzentrationen mit dem vereinfachten Lüftungskonzept. Ziel des Nachweises: Die CO-Konzentrationen mit vereinfachtem Konzept sind überall mindestens gleich wie mit SWKI Lösung.

86 Beispielprojekt RWA-CO gekoppelt, CO-Lüftung im Unterdruck Absaugung CO m 3 /h Absaugung RWA m 3 /h Freier Querschnitt der Absauggitter 50% 25% 25% 50% 50% 50% 85% 85% 85% 85% 85% Grenze Untersuchungsbereich Trennwand Abluft-Kanal (horizontal oder vertikal) Zuluft-Kanal (horizontal oder vertikal) Nord Maschinelle Zu- bzw. Abluft Natürliche Ersatzluft bzw. Natürliche Abluft Fortluft ins Mieter- Parking Die Absaugstellen befinden sich nur im Deckenbereich Zuluft über Schacht kleinster Querschnitt 1.08 m² Zuluft über Schacht kleinster Querschnitt 1.20 m² Zuluft über Rampe Querschnitt mit geschlossenem Tor: 2m² bzw. Querschnitt mit offenem Tor: m²

87 Mögliches Lüftungskonzept RWA-CO gekoppelt gleicher Absaugkanal mit Bypass (2 unterschiedliche Ventilatoren) CO - Lüftung OG2 OG1 RWA EG UG1

88 CO-Quellen für Simulation Quelle für Geschoss UG1 Abluft: m 3 /h Quelle: g/h Quelle für Rampe UG1-EG Abluft: m 3 /h Quelle: g/h

89 Beispiele aus Projekten SWKI Fall Vereinfachtes Lüftungskonzept

90 Atrium mit Dachabsaugung

91 Brüstungsdetail

92 Variante A17, Brand im Atrium Personensicherheit: Rauchverteilung auf vertikalem Schnitt Personensicherheit: Rauchverteilung im OG6 auf 2.5 m Personensicherheit: Rauchverteilung auf vertikalem Schnitt Feuerwehreinsatz: Rauchverteilung im OG6 auf 2.0 m

93 Variante A18, Brand im gedeckten Bereich Personensicherheit: Rauchverteilung auf vertikalem Schnitt Personensicherheit: Rauchverteilung im EG auf 2.5 m Personensicherheit: Rauchverteilung auf vertikalem Schnitt Feuerwehreinsatz: Rauchverteilung im EG auf 2.0 m

94 Rauchversuch «Brand im Atrium»

95 Rauchversuch «Brand im gedeckten Bereich»

96 Rauchausbreitung, Entrauchung Brandschutz durch innovative Massnahmen und Methoden Nachweis über Simulation in vielen Varianten möglich, je nach Fragestellung in verschiedener Detailtiefe Entrauchung Zonenmodelle in einfachen Geometrien CFD-Modelle für komplexe Geometrien und detailliertere Fragestellungen Warmrauchversuche für Funktionstest und Entrauchungsprinzip Evakuation für Optimierung Fluchtwege Weitere Nachweise möglich

97 Brandschutz & Ingenieurmethoden Brandschutz durch innovative Massnahmen und Methoden Ermöglichen fundierte situationsbezogene Sicherheits- und Brandschutzkonzepte!! In Zusammenarbeit mit Behörde Simulation höchstens so gut wie Know-how und Randbedingungen In allen Fällen ist viel Know-how für gute Aussagen notwendig, auch bei Multizonen- Modellen, Qualitätskontrolle wichtig

98 Simulationen im Bauwesen Schlüsse & Empfehlungen Nachweis über Simulation in vielen Varianten möglich, je nach Fragestellung in verschiedener Detailtiefe Wahl der richtigen Methode Wahl des richtigen Zeitpunkts des Einsatzes von Simulationen Stellen der richtigen Fragen Simulation höchstens so gut wie Know-how und Randbedingungen In allen Fällen ist viel Know-how für gute Aussagen notwendig Qualitätskontrolle fundamental

99 Unterstützung im Planungsablauf Leistungsmodell SIA 112

100 Unterstützung im Planungsablauf Leistungsmodell SIA 112

101 Simulation im Projektablauf Sinnvoller Einsatz in verschiedenen Planungsphasen Vorstudie Hauptstudie Detailstudie Problemlösungszyklus in jeder Projektphase wird durch den Einsatz von Simulationen verkürzt und beschleunigt. Vorstudien Vorprojekt Bauprojekt Ausführung Betrieb Einsatz von Simulationen für Optimierung Bei Problemen zu spät!

102 Zusammenfassung Schlanke Gebäudetechnik ist möglich durch: Verständnis der grundlegenden physikalischen Vorgänge Geeignete Nachweismethoden, wie Simulationen Synergien Sinnvolles Gesamtkonzept, von Beginn weg. Sehr grosses Simulations Know How ist erforderlich. Auch plausibel erscheinende Ergebnisse sind immer akribisch auf Korrektheit zu prüfen.

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