Brandschutzfachtag 19. April 2018

Transkript

1 Brandsimulation und Heissbemessung Innovative Praxislösungen auf Grundlage von Ingenieurmethoden Matthias Siemon Dr.-Ing. Bauingenieur Abteilungsleiter Brandschutz, Ingenieurmethoden Gruner AG, Basel / 1

2 Agenda > Einleitung, Grundlagen, Anwendbarkeit > Bauordnungsrechtliche Einordnung > Themenfelder Ingenieurmethoden > Schritte bei Anwendung von Ingenieurmethoden im Brandschutz > Praxisbeispiele > Heissbemessung > Entrauchung > Entfluchtung > Warmrauchversuch > Fazit 2

3 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Anteil der Ingenieurmethoden an Leistung Brandschutzplanung 80 % der Gebäudes sind mit Standardmassnahmen realisierbar bei 15 % der Gebäude sind schutzzielorientierte Massnahmen sinnvoll bei 5 % der Gebäude sind schutzzielorientierte Massnahmen notwendig 3

4 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Anwendung bei Abweichungen Bild: Spennes, Braunschweiger Brandschutz-Tage

5 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Anwendung bei Abweichungen Bild: vfdb-leitfaden "Ingenieurmethoden des Brandschutzes", 3. Auflage 5

6 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Schritte bei Anwendung von Ingenieurmethoden im Brandschutz > Einbindung in ein übergeordnetes Brandschutzkonzept zwingend erforderlich 6

7 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Themenfelder Ingenieurmethoden im Brandschutz > Brandsimulationen > Entrauchung (Raucharme Schicht / Rauchentsorgung / mit Blick auf Selbstrettung, Fremdrettung sowie wirksamen Löscharbeiten) > Temperatur-/ bzw. Wärmestrombeaufschlagung von Bauteilen (Feuerwiderstand / Entzündung / Brandausbreitung, Abstandsregelungen) oder im Bereich von Rettungswegen (Nutzbarkeit im Brandfall) > Spezielle Fragestellungen bzw. Detailfragen > Personenstromanalysen bzw. simulationen > Ermittlung von Räumungszeiten / Passagezeiten (RSET) > Identifikation von Engstellen / Stauzeiten / Stauqualitäten 7

8 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Themenfelder Ingenieurmethoden im Brandschutz > Heissbemessung > Wärmedurchgangsberechnungen zur Überprüfung des Raumabschluss bzw. Temperaturkriterien für einen Bauteilnachweis > Betrachtung als Bauteil, Teiltragwerk oder Gesamttragwerk > Nachweis der Feuerwiderstandsdauer (Tragfähigkeit, Verträglichkeit der Verformungen, Zwangkräfte/-spannungen, ) > Spezielle Fragen, Detailfragen (Anschlüsse, Betonabplatzungen, ) > Warmrauchversuche > Überprüfung der Bestandssituation mit oder ohne bestehende Entrauchungsanlagen (qualitativ) > Überprüfung der Brandmeldeanlage und Brandfallsteuerungen 8

9 Einleitung, Grundlagen, Anwendung Weitere Anwendungsgebiete im Brandschutz > Beurteilung von besonderen Situationen im Bestand (z. B. mit Berücksichtigung historischer Bausubstanz, denkmalpflegerischer Belange, ) > Prognose des Schadenausmaß im Falle eines Brandereignisses > Diverse Fragestellungen bei Brandereignissen in Infrastrukturanlagen / - bauwerken Abseits brandschutztechnischer Fragestellungen > Beurteilung der Gebäuderäumung bei Räumungsszenarien abseits von Brandereignissen > Beurteilung von Schadstoffausbreitung (z. B. zur Auslegung der Lüftung Tiefgarage, Tunnellüftung, ) 9

10 Praxisbeispiele 10

11 Umbau und Sanierung Schulgebäude > Stahlkonsolen zur Auflagerung von Fertigbetondecken während Umbaumassnahmen entdeckt > Bauordnungsrechtliche Anforderung: feuerbeständig (REI 90) für die Decke > Konsole konnte baubedingt nur an der Unterseite geschützt werden, obere Verankerung bleibt ungeschützt und ist direkter Beflammung ausgesetzt 11 Finite Element-Modell Temperaturberechnung der Decken-Konsolen-Situation

12 Umbau und Sanierung Schulgebäude > Enge Abstimmung mit Tragwerksplaner zur Identifikation der Lastabtragung und maßgebenden Komponenten > Ableitung und Abstimmung geeigneter Leistungskriterien zur Überprüfung der Anforderungen REI 90 > Isolation über Bekleidung gewährleistet > Raumabschluss ist bei Einhaltung verträglicher Verformungen gewährleistet > Tragfähigkeit ist bei Begrenzung von kritischen plastischen Dehnungen nachgewiesen > Der Nachweis der Einhaltung der Schutzziele konnte in Abstimmung mit der Behörde erbracht werden 12

13 Stahltragwerk Maschinenhalle > Hohe Anforderungen aus denkmalpflegerischer Sicht > Die Anforderungen an die Bauteilqualität nach aktuellem materiellen Baurecht R 90 > Heissbemessung mit Naturbrandverfahren; in einer Voruntersuchung wurde die generelle Nachweisbarkeit geprüft 13

14 Hochregallager Zatec Der koreanische Reifenhersteller Nexen Tire hat für den europäischen Markt ein Fertigungswerk in der Tschechischen Republik geplant. Damit sollen Autohersteller in ganz Europa beliefert werden. Die Fertigungstechnik kommt von Samsung. Am Ende der Fertigungsstrasse steht ein 50 m hohes Hochregallager, in dem die Reifen zwischengelagert werden. Für dieses Hochregallager wurde seitens tschechischer Behörden ein Standsicherheitsnachweis im Brandfall gefordert. Mit Hilfe der Simulationsmethoden aus dem Brandschutz konnte die Tragfähigkeit nachgewiesen werden. 14

15 Brandentwicklung und -leistung Visualisierung der Brandleistung zum Zeitpunkt der Sprinklerauslösung HRR_FDS_1 HRR_FDS_2 HRR_t2-Model 600 HRR [kw] Time 60 [s] Brandentstehung Ort 1 Brandentstehung Ort 2

16 Bestimmung der Sprinklerauslösezeit Zeitpunkt der Sprinklerauslösung 250 Temperature [ C] Sprinkler Level 1 Nr. 1 Sprinkler Level 1 Nr. 2 Sprinkler Level 1 Nr. 3 Sprinkler Level 2 Nr. 1 Sprinkler Level 2 Nr. 2 Sprinkler Level 2 Nr C Threshold Time T > 145 C at Sprinkler Time Sprinkler actuation Time [s] 16

17 Übertragung CFD - FEM 17

18 Idealisierung Strukturmodell 18

19 Berechnungsergebnisse I 19

20 Berechnungsergebnisse II Zusammenfassung Berechnungsergebnisse > Plastische Dehnungen / -verformungen bleiben in verträglichen Größenordnungen. > Hohe Auslastung der vertikalen Haupttragelemente (Stützen) aufgrund behinderter thermischer Dehnung. > Struktur übersteht das zugrunde gelegte Brandereignis. > Voraussetzung ist eine wirksame Löschanlage, welche in der Lage ist, einen Entstehungsbrand zu beherrschen. > Realbrandversuch geplant, um die prognostizierte Brandausbreitung sowie die Wirkung der Löschanlage zu validieren. 20

21 Entrauchung eines Kinofoyers > Kinofoyer mit großer Personenbelegung > Zwei Geschosse, verbunden über Rolltreppe und Wendeltreppe > Offene Verbindung in angrenzenden Mallbereich > Maschinelle Entrauchung mit etwa m 3 /h je Geschoss > Schutzziele / Planungsziele > Kein Rauchübertritt in darüberliegendes Geschoss (bei Brand im unteren Geschoss) zum maßgebenden Beurteilungszeitpunkt > Kein Rauchübertritt in angrenzenden Mallbereich zum maßgebenden Beurteilungszeitpunkt > Gewährleistung der Selbstrettung (Nachweis der raucharmen Schicht) 21

22 Entrauchung eines Kinofoyers 3000 Detektion P MRWA = 100 % SPA Wärmefreisetzungsrate [kw] HRR Sim Zeit [s] HRR Calc > Untersuchung von Hochenergiebränden mit stark rußendem Brandgut > Ansatz einer schnellen Brandausbreitung (t g = 150 s) > Beurteilung der Rauchfreiheit auf Grundlage Extinktion 0.2 m -1 22

23 Entrauchung eines Kinofoyers 23

24 Ergebnisse Nachweis > Verhinderung des Rauchübertritts in darüberliegendes Geschoss konnte bis zum Zeitpunkt der Sprinklerauslösung nachgewiesen werden. > Verhinderung des Rauchübertritts in angrenzende Mall konnte bis zum Zeitpunkt der Sprinklerauslösung nachgewiesen werden. > Die Sicherstellung einer raucharme Schicht von > 2,5 m bis zum Zeitpunkt der Sprinklerauslösung wurde nachgewiesen. > Im Rahmen einer Entfluchtungsberechnung wurde nachgewiesen, dass alle Personen im Foyer dieses vor Sprinklerauslösung verlassen haben 24

25 Entfluchtungssimulationen 25

26 Entfluchtungssimulationen Kenngrößen der Beurteilung der sicheren Entfluchtung > Entfluchtungszeit bis ins Freie bzw. bis in den sicheren Bereich. > Zeitpunkte der Räumung einzelner Fluchtwegkomponenten. > Stauzeit am Stück. > Gesamtstauzeit (Summe aller Stauzeiten einer Person über den gesamten Fluchtverlauf). > Prognostizierte Fluchtwegnutzung, Wegfindung, sonstiges. 26

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28 Anwendung / Nutzen in der Planung Ausgangsplanstand Verbreiterung Treppe Treppenreihen verschoben Anpassung Treppenbreite 28

29 Kalibrierte Warmrauchversuche > Randbedingung für Warmrauchversuche nach VDI 6019 und vfdb > Voll ausgebildeter turbulenter Luftstrahl (thermischer Auftrieb) > Mit kalibrierten Rauchversuchen ist es möglich, modellhaft bei Abnahmeversuchen Brandszenarien zu simulieren und die Ausbreitung der Rauchgase im Gebäude sichtbar zu machen > Die Energiefreisetzungsraten der Brandsimulationseinheit lassen sich mit Hilfe von Ähnlichkeitsgesetzen auf reale Brandszenarien übertragen > Dabei werden Brandszenarien erreicht, die ca. 1,5-5 MW auf 5 m² Brandherdfläche entsprechen. 29

30 Kalibrierte Warmrauchversuche Brandsimulation und Brandszenario nach VDI

31 Kalibrierte Warmrauchversuche 31

32 Fazit I > Die Anwendung von Ingenieurmethoden im Brandschutz ermöglicht die Prognose der Brandfolgen im Brandfall. > Typische Anwendungsfälle > Beurteilung der Feuerwiderstandsdauer von Anschlüssen, Bauteilen, Gesamttragwerken > Beurteilung der wirksamen Entrauchung > Beurteilung der sicheren Entfluchtung > Sonstiges (Raumabschluss, Brandausbreitung, ) Brandfall Prognose 32

33 Fazit II 33 > Mit Einführung der Eurocodes als Technische Baubestimmungen sind die Anforderungen für die Durchführung einer Heissbemessung klar geregelt Stichworte: Wärmeübergangsbedingungen, Hochtemperaturmaterialeigenschaften, nominelle Temperaturzeitkurven, Naturbrände, Leistungskriterien, > Dies gilt leider nicht in gleichem Maße für Brandsimulationen zum Nachweis der wirksamen Entrauchung, Entfluchtungssimulationen, > Hier lohnt ein Blick über die Landesgrenzen: VKF-RL 27-15: Anwendung von Ingenieurmethoden klar geregelt Verantwortlichkeiten der Beteiligten Anforderungen an Nachweisführung, Szenarien, Bemessungsbrände Anforderung an die Dokumentation (Vollständig, Plausibel, Nachvollziehbar)

34 BRANDSCHUTZ DER ÜBERZEUGT vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Für weitere Fragen stehe ich gerne zur Verfügung. Matthias Siemon Dr.-Ing. Bauingenieur Abteilungsleiter Brandschutz, Ingenieurmethoden Gruner AG, Basel T: M: