Vergleich verschiedener Brandszenarien im Hinblick auf die Personengefährdung

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1 Kurzfassung: Vergleich verschiedener Brandszenarien im Hinblick auf die Personengefährdung S.Schubert, A.Saupe, U.Krause Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg, Deutschland Im Rahmen des Forschungsvorhabens TIBRO wurden verschiedene Brandszenarien im Hinblick auf die Personengefährdung mittels numerischer Simulation untersucht. Der vorliegende Beitrag vergleicht die Entwicklung der Temperaturen und Rauchgaskonzentrationen in einem Schlafzimmerbrand mit denen eines Wohnzimmerbrandes. 1.Einleitung Die Veröffentlichung [1] bezieht sich auf eine Stichprobe von 210 Bränden mit insgesamt 258 Brandtoten. Die Auswertung der Brände erfolgte auf der Grundlage von Jahresberichten einzelner Berufsfeuerwehren und bestätigt Aussagen von Brandschutzexperten, die auf der Grundlage von Erfahrungen getroffen wurden. Nach Aussage von [1] : Entfallen 76% der Brände mit Brandtoten auf die Zeit zwischen 18:00 Uhr und 6:00 Uhr. Werden mit 59% die meisten Personen in Wohngebäuden aufgefunden, wobei 70% der aufgefundenen Personen im Erdgeschoss oder in den ersten vier Geschossen zu finden sind. Als Auffindungsorte von Brandtoten werden Schlafzimmer (33%), Wohnzimmer (27%) und Flure (12)% sowie andere Zimmer wie WC, Kinderzimmer, Küche, Badezimmer (28%) etc. benannt. Aufbauend auf die oben angeführte statistische Auswertung realer Brandszenarien bezieht sich der vorliegende Vergleich vornehmlich auf Brände in Wohngebäuden, insbesondere auf den Brand in einem Schlafzimmer und einem Wohnzimmer. Die Brandszenarien wurden mit der Ansys Suite CFX simuliert und mit realen Brandereignissen verglichen. 2. Brandausbreitungsmodell In der Programmsuite Ansys- CFX ist kein Pyrolysemodell und kein Brandausbreitungsmodell integriert. Ausgehend von den nachfolgend aufgezeigten Vorüberlegungen wurde ein Brandausbreitungsmodell in die Programmsuite eingearbeitet. Die Grundlage der verwendeten Masseund Wärmeströme ist in [2] beschrieben. Für das Brandausbreitungsmodell sind folgende Vorüberlegungen zum Energieaustausch zwischen Feststoff und Fluid notwendig: In Ansys-CFX werden Volumen als Domain bezeichnet. Eine Domain (ein Volumen) kann gasförmig, flüssig, porös oder fest sein. Der Übergang (die Grenze) zwischen zwei Domains wird als Interface bezeichnet (in Abbildung 1 rot dargestellt). Ein Interface ermöglicht den Energieaustausch zwischen den Domains, so dass für den Energieaustausch (hier der Wärmedurchgang durch das Interface) der Wärmedurchgangskoeffizient des jeweiligen Materials (hier: der Feststoffdomain) genutzt werden kann. Die Energie kann über das Interface sowohl in den Feststoff, als auch in das Fluid abgegeben werden.

2 Abbildung 1: Anordnung Fluid-, Feststoff-Domain und Interface Über die sogenannte Quell -Funktion wurden jeder brennbaren Feststoffoberfläche Massenströme und Energieströme zugewiesen. In Ansys-CFX sind die Flächen der einzelnen Zellen, die auf der Feststoffoberfläche liegen, bekannt. Daher ist es möglich flächenspezifische Massenströme [kg m^-2 s^-1] und Wärmefreisetzungsraten [W m^-2] in Abhängigkeit der Zellfläche vorzugebenen. Um nun eine tatsächliche Brandausbreitung von Zelle zu Zelle realisieren zu können, wurde über eine bedingte Anweisung (If-Funktion) eine Routine geschaffen, mit der eine Zelle die flächenspezifischen Massen- und Wärmeströme freisetzt (aktiver Zustand der Zelle). Eine Zelle wird in einen aktiven Zustand versetzt, wenn das Grenzkriterium der bedingten Anweisung erfüllt ist. Das Grenzkriterium ist materialspezifisch und berücksichtigt sowohl die Oberflächentemperatur des Feststoffes als auch die einfallende Wärmestromdichte, die auf die (Zell-)Oberfläche des Feststoffes auftrifft. Der flächenspezifische Massenstrom wurde aus der mittleren Massenverlustrate der einzelnen Materialien abgeleitet und berücksichtigt, dass der Massenstrom mit fortschreitender Branddauer zunimmt und im weiteren Verlauf einen nahezu stabilen Wert annimmt. Dieser Umstand wird im Brandausbreitungsmodell durch eine zeitlich abhängige Exponential-Funktion berücksichtigt. Für die Wärmefreisetzungsraten wurden ebenfalls zeitabhängige Exponential-Funktionen implementiert [2]. Zu beachten ist, dass die hier genannte zeitliche Abhängigkeit sich nicht auf die globale Zeitzählung der Simulation, sondern auf die Zeit bezieht in der die Zelle aktiviert ist. D.h. es ist notwendig eine zusätzliche Zeitzählung zu installieren, die die Zeitschritte erfasst in denen die Zelle aktiv ist und mit der Freisetzung begonnen hat. Dies ist über eine Variable, die die Zeitwerte für die entsprechenden zeitabhängigen Funktionen in transienten Statistiken speichert, möglich. 3. Brandausbreitungsphase Schlafzimmerbrand Die Simulationen der Schlafzimmerbände gehen zurück auf reale Brandversuche, welche 2010 vom NIST [3] durchgeführt wurden. Die Abbildung 2 zeigt die Umsetzung des Schlafzimmers in der Simulation sowie die Möblierung aus den Realbrandversuchen. In den Realbrandversuchen erfolgte die Temperaturmessung mittels Thermoelementen an verschiedenen Stellen im Raum (vgl. Abbildung 2).

3 Abbildung 2: Schlafzimmer Übersicht und Fotographie [1] Die Thermoelemente waren in unterschiedlichen Höhen über der Fußbodenoberkante angeordnet: Messstelle 1 im Schlafzimmer, Thermoelement in einer Höhe von 1,17 m über der Fußbodenoberkante Messstelle 2 im Schlafzimmer, Thermoelement in einer Höhe von 2,09 m über der Fußbodenoberkante Messstelle 3 im Flur, Thermoelement in einer Höhe von 2,36 m über der Fußbodenoberkante Der Temperaturverlauf aus den Realbrandversuchen wurde genutzt, um den Nachweis zu erbringen, dass der Temperaturverlauf der Simulation qualitativ mit dem Temperaturverlauf des realen Brandes übereinstimmt, so dass eine Validierung der implementieren Routinen und Submodelle erreicht werden konnte. In der Literatur sind unterschiedliche Angaben zu Brandlastdichten für Wohnungsnutzungen zu finden. Die Brandlastdichte in der Simulationsrechnung betrug 48 kg/m² brennbarer Materialen pro m² und ist damit etwas höher als die Brandlastdichte aus [3] die bei 40 kg/m² lag. Größenordnungsmäßig liegt dieser Wert aber noch unterhalb bekannter Literaturwerte (vgl. Tabelle 1). Tabelle 1:Brandlastdichte Schlafzimmer Quelle 95%Quantil [kg/m²] [4] 54 Simulation 48 [3] 40

4 Als Initialbrand wurde der Brand des Papierkorbes angenommen, der sich zwischen Bett und Schreibtisch befand (s.h. Abbildung 2). Ausgehend vom Papierkorb breitete sich das Feuer über das angrenzende Bett und den Schreibtisch bis zum Regal, welches an der Wand hing, aus. Nach ca. 220 s kam es in [3] zu einer Durchzündung der Pyrolysegase und die Temperaturen an der Messstelle 1 im Schlafzimmer erreichten etwa 750 C. In der Simulation trat die Durchzündung bereits 180 s nach Entzündung ein. Die Temperaturen erreichten in der Simulation nach der Durchzündung durchschnittliche Werte von C, während in [3] lediglich Temperaturen von ca. 800 C erreicht wurden (vgl. Abbildung 3). Abbildung 3: Temperaturverlauf Messstelle 1 und 2, Simulation und Brandversuch [3] Verantwortlich für den Temperaturunterschied aus [3] und der Simulation sind die Verbrennungsgleichungen, die in der Simulation hinterlegt wurden. Grundlage für die Verbrennungsgleichungen sind Versuche, die am Cone-Kalorimeter durchgeführt wurden [2]. Die Reaktionsgleichungen sind entsprechend folgender Gleichung aufgebaut: c Edukte Edukte + c O2 O 2 = c Produkte Produkte In der Gleichung entspricht c der stöchiometrischen Verhältniszahl. Als Verbrennungsmodell wurde in der Simulation das Eddy-Dissipation-Modell genutzt. Eine Grundannahme in diesem Modell ist, dass Verbrennungsprodukte solange wie Sauerstoff in der Umgebungsluft vorhanden ist umgesetzt werden (mixed is burnd) und sich nach obiger Gleichung bilden. Die stöchiometrische Verhältniszahl c O2 verändert sich in Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes nicht. Bis zum Zeitpunkt der Durchzündung folgt der Temperaturverlauf in der Simulation qualitativ dem Temperaturverlauf aus [3] (vgl. Abbildung 3). Außerdem zeigt die Abbildung 3, dass sich wie in [3] beobachtet auch in der Simulation in einer Höhe von 1,77 m über der Fußbodenoberkante eine kältere Fluidschicht einstellt, als in einer Höhe von 2,09 m über der Fußbodenoberkante. In [3] wird berichtet, dass ein Temperaturanstieg bereits 20 s nach der Entzündung an der Temperaturmessstelle im angrenzenden Flur verzeichnet werden konnte. Die Messstelle im Flur lag

5 auf einer Höhe von 2,36 m über der Fußbodenoberkante. In der Simulation ist der Beginn des Temperaturanstiegs etwa 5 s später festzustellen (vgl. Abbildung 4). Abbildung 4:Temperaturverlauf an der Messstelle 3, Simulation und Versuch 5. Brandausbreitungsphase Wohnzimmerbrand Im Jahr 2013 wurden im Rahmen des Forschungsprojektes TIBRO Realbrandversuche in einem unbewohnten Wohngebäudekomplex unternommen. Dazu wurde eine 4-Raumwohung vollständig möbliert. Eine ausführliche Darstellung der Brandversuche befindet sich in [5]. Die Abbildung 5 zeigt die Raumaufteilung der Wohnung. Außerdem ist dargestellt an welchen Stellen die Temperatur gemessen wurde. Zur Dokumentation des Temperaturverlaufes wurden in den Brandversuchen Thermoelemente eingesetzt. Die Nummerierung der Messstellen ist ebenfalls in Abbildung 5 dargestellt. Während der Brandversuche wurde der Temperaturverlauf in einer Höhe von 0,7 m und 1,8 m über der Fußbodenoberkante erfasst.

6 Abbildung 5: 4-Raumwohnung Raumaufteilung, Messstellen und Brandentstehungsort Als Initialbrand wurde angenommen, dass ein defektes elektrisches Gerät den Wohnzimmerschrank in Brand setzte. Das Feuer breitete sich im Folgenden über die angrenzende Möblierung und Gegenstände im Wohnzimmer aus. Vergleicht man den Temperaturverlauf der Simulation mit dem Temperaturverlauf aus den Brandversuchen, so ist zu erkennen, dass erst nach ca. 950s in der Simulation und s im Brandversuch eine schnell ablaufende, exotherme, chemische Umsetzung der Rauchgase beginnt (vgl. Abbildung 6). Infolge dessen steigt die Fluidtemperatur stark an. Abbildung 6: Wohnzimmer Temperaturverlauf in einer Höhe von 1,80m, Messstelle 1.1 und 1.2

7 Nach s wurde in der Simulation ein Temperaturmaximum (T max ) von C an der Messstelle 1.2 (Wohnzimmer in der Nähe der Brandquelle) in der Heißgasschicht (1,80 m über Fußbodenoberkante) erreicht. In der Abbildung 7 ist dargestellt, wie sich die Temperaturen in den angrenzenden Räumen, in einer Höhe von 1,80 m über der Fußbodenoberkante, nach dem Auftreten von T max im Wohnzimmer verändern. Zunächst erwärmt sich die Heißgasschicht im Bereich des Esszimmers und des Eingangsflures. Danach setzt sich die Erwärmung im Schlafzimmer, dem kleinen Flur und dem Kinderzimmer fort. Abbildung 7: Temperaturverlauf und Zeitpunkt des Temperaturmaximums in der Heißgasschicht der verschiedenen Räume für die Zeit von 950s bis 1.150s nach Brandentstehung In Tabelle 2 ist aufgezeigt, wann die Temperatur in der Heißgasschicht der angrenzenden Räume maximal wird. Es ist zu erkennen, dass sich das Temperaturmaximum in der Simulation von Raum zu Raum bewegt, während beispielsweise das Temperaturmaximum im Realbrand im Schlafzimmer zeitlich gesehen erst nach dem Temperaturmaximum im Kinderzimmer auftritt. Dies ist vor allem dadurch zu erklären, dass das Gebäude im Brandversuch den natürlichen Windverhältnissen ausgesetzt war. Da einige Fenster geöffnet waren, wurde das Strömungsprofil im Innern der Wohnung durch die äußeren, natürlichen Windverhältnisse beeinflusst, was in der Simulation nicht berücksichtigt wurde. Tabelle 2: Raum und Zeitpunkt des Temperaturmaximums in Simulation und Versuch Raum Messstelle Simulation Zeit nach Zündung [s] Brandversuch [5] Zeit nach Zündung [s] Wohnzimmer Esszimmer Eingangsflur Schlafzimmer Kleiner Flur Kinderzimmer

8 6. Post-Flash-Over-Phase Die Temperaturen, die in der Post-Flash-Over-Phase in der Simulationen berechnet werden, weichen von den gemessenen Temperaturen aus den Realbrandversuchen ab. Die Temperaturen in den simulierten Bränden verharren nach dem Flash-Over bei ca C (Schlafzimmerbrand, vgl. Abbildung 3) bzw. 980 C (Wohnzimmerbrand, vgl. Abbildung 7 und [5]). Des Weiteren zeigt die Abbildung 8, dass die CFD-Simulation den Trend der Konzentration vom Beginn des Brandes bis zum Zeitpunkt des Vollbrandes abbildet. Der Trend wird allerdings in der simulation während der Post-Flash-Over-Phase nicht fortgesetzt. (a) Schlafzimmerbrand (b) Wohnzimmerbrand Abbildung 8: O2- und CO2-Konzentration (a)schlafzimmerbrand (b) Wohnzimmerbrand Die unterschiedlichen Verläufe der CO- bzw. CO 2 Konzentration in der Post-Flashover sind auf das verwendete Verbrennungsmodell zurückzuführen. Die Ursache dafür wurde bereits in Kapitel 3. erläutert. Eine detaillierte Darstellung der verwendeten Verbrennungsgleichungen befindet sich in [2]. 7.Thermische Wirkung von Rauchgasen In Abhängigkeit des Temperaturbereiches werden in [6] Zeitpunkte definiert, die beschreiben wann der Mensch auf Grund der thermischen Wirkung von Rauchgasen Schaden nimmt: Zeitpunkt, an welchem schmerzhafte Hautreizungen eintreten, unmittelbar vor der Schwelle zur Verbrennung der Zeitpunkt, an welchem ein Hitzeschock zur Bewusstseinstrübung führt. Außerdem stellt Purser in [6] eine empirische Gleichung zur Berechnung der Zeitdauer (τ) bis zum Erreichen der Handlungsunfähigkeit durch Wärmeübertragung auf. Die Berechnung gilt für den Bereich mittlerer Luftfeuchte. τ[min] = (T[ C]) 16,963 (T[ C]) 3,7561 Nach obiger Gleichung verliert eine Person bei 100 C Umgebungstemperatur nach 12,3 min ihre Handlungsfähigkeit, bei 150 C Umgebungstemperatur nach 2,7 min und bei 200 C Umgebungstemperatur bereits nach 54 s. Im Falle des Schlafzimmerbrandes ist bereits nach 3 min zu erkennen, wie sich Fluid mit einer Temperatur von mindestens 150 C aus der Schlafzimmertür hinaus auf den Flur bewegt (vgl. Abbildung 9 (a)). Zu diesem Zeitpunkt ist das bodennahe Fluid in der Nähe des Brandentstehungsortes bereits auf Temperaturen von mindestens 150 C angestiegen. In der Nähe der Tür und in der Mitte des

9 Raumes liegt die Temperatur unter 150 C. 190s nach Brandausbruch ist die Fluidtemperatur im Brandraum nur noch in Bodennähe an der Tür unter 150 C (vgl. Abbildung 9 (b)). Im weiteren zeitlichen Verlauf nimmt auch das Fluid im Flur Temperaturwerte über 150 C an. (a) 180s (b) 190 s (c) 200 s Abbildung 9: Eingefärbtes Fluid mit Temperaturen über 150 C, Schlafzimmerbrand zu den Zeitpunkten (a) t=180s, (b) t=190s, (c) t=200s Der Brand im Schlafzimmer breitete sich schnell aus, während die Brandausbreitung im Wohnzimmer langsam von statten ging. 180 s nach Brandausbruch ist nur in der Nähe des Brandentstehungsortes das Fluid auf Temperaturen über 150 C erwärmt. Erst nach 720s ist zu erkennen, wie sich die heiße Fluidschicht an der Decke des Wohnzimmers weiter in Richtung Raummitte bewegt (vgl. Abbildung 10 (a)). In der Nähe der Schrankwand und im Bereich des Sofas ist nach 955 s die Temperatur der Heißgasschicht bis auf etwa 1,40m über der Fußbodenoberkante auf 150 C gestiegen (vgl. Abbildung 10 (b)). Nach 990 s erreicht die Fluidtemperatur im Eingangsflur und dem kleinen Flur ebenfalls Werte über 150 C (vgl. Abbildung 10 (c)). (a) 720 s (b) 955 s (c) 990 s Abbildung 10: Eingefärbtes Fluid mit Temperaturen über 150 C, Wohnzimmerbrand zu den Zeitpunkten (a)t=720s, (b) t=955s, (c) t=990s Berücksichtigt man zur Beurteilung der Personensicherheit im Brandfall nur die thermische Wirkung der Rauchgase, so ist zu erkennen, dass der Zeitpunkt an dem eine Person nicht mehr handlungsfähig ist, stark von der Geschwindigkeit der Brandausbreitung abhängig ist. Die Tabelle 3 gibt die Zeit an, die benötigt wird um das Fluid in einem Raum auf eine Temperatur über 150 C zu erwärmen. Berücksichtigt man, dass nach 2min 42s bei einer thermischen Belastung von über 150 C die Handlungsunfähigkeit eintritt, so kann für jeden Raum die Zeitdauer bis zum Eintritt der Handlungsunfähigkeit berechnet werden.

10 Tabelle 3: Zeitraum bis Handlungsunfähigkeit eintritt, unter der Annahme, dass am Aufenthaltsort der Person Temperaturen über 150 C vorliegen Raum Aufenthaltsort Zeitdauer bis Fluidtemperatur im Raum >150 C Schlafzimmer Wohnzimmer Schlafzimmer 3min 6s 5min 48s Angrenzender Flur 3min 24s 6min 6s Wohnzimmer, Esszimmer, 16min 12s 18min 54s Küche Eingangsflur 16min 24s 19min 6s Kleiner Flur 16min 30s 19min 12s Zeitdauer bis Handlungsunfähigkeit, Eintritt bei thermischer Belastung von 150 C Es ist klar zu erkennen, dass der Zeitpunkt der Handlungsunfähigkeit bei einem großen Raumvolumen und langsamer Brandausbreitungsgeschwindigkeit später eintrifft als in einem kleinen Raum mit hoher Brandausbreitungsgeschwindigkeit (vgl. Raumvolumen und Brandausbreitungsgeschwindigkeit Wohnzimmer versus Schlafzimmer). Kommt es während des Brandes zu einer sehr schnell ablaufenden exothermen chemischen Reaktion (Rauchgasdurchzündung oder ähnliches), so zeigt die Tabelle 3, dass sich auch das Fluid in den Nachbarräumen des Brandraumes sehr schnell auf Werte über 150 C erwärmt. Literatur: [1] Herweg H, Wagner P.; Trautes Heim, (Un-)Glück allein!; Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.v.; Zeitschrift für Forschung, Technik und Management im Brandschutz, Heft 3/2014 [2] Saupe A. et. al.; Brandszenarienkatalog TIBRO-Realisierung von Brandsimulationen mit Ansys-CFX, in Tagungsbericht - 4. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztag, Magdeburg, [3] Madrzykowski D.; Walton, W.D: Impact of Sprinklers on the Fire Hazard in Dormitories: Sleeping Room Fire Experiments; NIST TN 1658, National Institut of Standard, January 2010 [4] Richard W. Bukowski, P.E., SFPE, NIST Building and Fire Research Laboratory, Determining Design Fires for Design-level and Extreme Events, SFPE 6th International Conference on Performance-Based Codes and Fire Safety Design Methods, Tokyo, [5] Saupe A. et al.; Realbrandversuche zu Wohnungsbränden mit moderner Ausstattung, Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.v.; Zeitschrift für Forschung, Technik und Management im Brandschutz, Heft 3/2013 [6] PURSER, D. A.: Assessment of hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases and Heat. in: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, Quincy, Massachusetts, 4th Ed. 2008