Markus Wiezorek, M.Sc. Brandschutz Consult Ingenieurgesellschaft mbh Leipzig, Leipzig, Deutschland,

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1 Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen - Anwendung der CFD Software FDS zur Quantifizierung der Personensicherheit in horizontalen Rettungswegen Markus Wiezorek, M.Sc. Brandschutz Consult Ingenieurgesellschaft mbh Leipzig, Leipzig, Deutschland, Kurzfassung: Brandsimulationsberechnungen sind ein probates Mittel, um durch die Überprüfung des zeitlichen Verlaufes von Einzelkriterien die Personensicherheit in Bauwerken nachzuweisen. Bei der Anwendung von Brandsimulationsberechnungen ergeben sich Unsicherheiten sowohl aus der Festlegung von Eingangsdaten als auch aus den Berechnungsalgorithmen des Simulationsmodells. Zur Untersuchung dieses Sachverhalts wurden im Zuge des Gesamtprojektes Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen" an der Geometrie eines Brandraumes mit einem angrenzenden Flur insgesamt 31 Brandversuche durchgeführt. Ausgewählte Versuche wurden mittels Fire Dynamics Simulator Version 6 (FDS 6) nachsimuliert. 1. Einleitung Die Personensicherheit in Bauwerken kann durch Nutzung von Ingenieurmethoden des Brandschutzes grundsätzlich über zwei verschiedenen Methoden nachgewiesen werden. Zum einen kann der Nachweis der Personensicherheit durch die Überprüfung von Einzelkriterien erfolgen. Diese Einzelkriterien können beispielsweise Grenzwerte zur Konzentration von narkotisierenden oder reizenden Rauchgasen in der raucharmen Schicht, aber auch Sichtweiten und Grenzwerte bezüglich der thermischen Belastung flüchtender Personen sein. Als Literaturquelle für Grenzwerte zur Beurteilung der Personensicherheit wird bei einem ingenieurmäßigen Nachweis häufig Tabelle 8.3 des Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes [1] verwendet. Diese Tabelle enthält Grenzwerte für die Qualität der raucharmen Schicht für unterschiedlich lange Expositionszeiten. Eine weitere Option zum Nachweis der Personensicherheit besteht in der Anwendung von Toxizitätsmodellen. Exemplarisch hierfür sind das FED- und das FEC-Modell von Purser [2] oder das F-Modell aus dem vfdb-leitfaden [1] zu nennen. Der Vergleich hinsichtlich der Dauer der Einhaltung der Personensicherheit im unmittelbaren Vergleich beider Methoden erfolgte in dem Projekt Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen durch Böttger [3]. Das Resultat seiner Untersuchung ist die Erkenntnis, dass die optische Dichte für die untersuchten Brandstoff(-kombinationen) das primäre Schutzzielkriterium darstellt. Ausgehend von dieser Feststellung ergibt sich die Frage, wie zuverlässig der Nachweis der Personensicherheit durch die Überprüfung von Einzelkriterien unter Verwendung von Brandsimulationsberechnungen erfolgt. Im Zusammenhang mit dem Projekt Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen wurden vom bis zum in einer Brandhalle des Institutes der Feuerwehr Sachsen-Anhalt (IdF) insgesamt

2 31 Brandversuche durchgeführt. Hierfür wurde ein Versuchsstand, bestehend aus einem Brandraum und einem damit verbundenen Flur errichtet. Abbildung 1: Darstellung des Versuchsstandes im Brandsimulationsprogramm FDS 6 mit Smokeview 2. Brandversuche Untersucht wurden Brände mit geringer Brandleistung, welche die Entstehungsbrandphase eines Zimmerbrandes repräsentieren sollen. Bereits in der Entstehungsbrandphase werden bei einer Deckenhöhe von 2,5 m die Anforderungen an die raucharme Schicht in 2,0 m Höhe zum Nachweis der Personensicherheit innerhalb des Versuchszeitraumes von 30 min nicht mehr eingehalten. Die Brandlasten bestanden aus brennbaren Flüssigkeiten, Kunststoffen, Mischkrippen aus Kunststoffen und Spanplatte sowie Realbrandkörpern. Mit den verwendeten Brandstoffen sollte eine typische Wohnungs- bzw. Büronutzung nachgestellt werden. Im Vortrag werden lediglich signifikante Ergebnisse der Brandstoffe Isopropanol sowie der Spanplatte- Kunststoff-Mischkrippe Spanplatte und Acrylnitril-Butadien-Styrol dargestellt.

3 31 Brandversuche 6 Poolfeuer 4 PUR-Kissen 13 Krippen 8 Realbrandkörper 4 x Isopropanol 4 x SP+ABS 2 x Kleidung 2 x Methanol 4 x SP+PP 2 x Federn 4 x PVC+PA+PP 1 x Papierkorb 1 x SP+PA 1 x Monitorgehäuse 1 x Elektroinstallation 1 x Bürodrehstuhl Abbildung 2: Darstellung der durchgeführten Brandversuche 3. Vorbetrachtung zu Unsicherheiten Grundsätzlich sind mehrere Unsicherheitsfaktoren bei der Nachsimulation von Brandversuchen zu beachten. Zum einen handelt es sich bei der Brandsimulationssoftware FDS um ein numerisches Modell. Aufgrund der mathematischen Nachbildung physikalischer Vorgänge sind hier bereits Unsicherheiten erhalten. Besonders empfohlen sei zu dieser Thematik die Dissertation von Münch [4]. Zum anderen ergibt sich eine Unsicherheit bei der Festlegung der Eingabeparameter. Einerseits gibt es bei gemessenen Eingangswerten natürlich auch immer eine Spannweite aufgrund der durchgeführten Messung. Für die Quantifizierung der brandtechnischen Kennwerte der Brandstoffe wurde eine umfassende Laboranalytik, u.a. am Cone-Kalorimeter durchgeführt. Die aus den Cone-Kalorimeter-Prüfungen gewonnenen brandtechnischen Kennwerte stellen zum Beispiel immer einen Mittelwert aus mehreren Prüfdurchgängen dar. Andererseits gibt es auch zeitabhängige Parameter, die in FDS lediglich als konstanter Wert hinterlegt werden können (z.b. Heizwert bei gemischten Brandstoffen). Die dritte betrachtete Unsicherheit bei dem Vergleich zwischen den Realbrandversuchen und den Nachsimulationen ist die Tatsache, dass es bei den Messungen während der Realbrandversuche zu unvermeidbaren Messfehlern kam.

4 Modellunsicherheiten Unsicherheiten Eingangsdaten Experimentelle Unsicherheiten Abbildung 3: Darstellung der aufgetretenen Unsicherheiten Um dennoch möglichst exakte Nachsimulationen der Brandversuche zu erhalten, wurden mehrere Maßnahmen zur Verbesserung der Genauigkeit durchgeführt. Die Genauigkeit von Simulationsergebnissen ist wesentlich von der Auflösung des Berechnungsgebietes in orthogonale Kontrollvolumen abhängig. Es wurde daher im Vorfeld eine Gittersensitivitätsanalyse durchgeführt und über diese die notwendige Auflösung des Rechengebietes bestimmt. Als Schlussfolgerung aus der Gittersensitivitätsanalyse wurden die Simulationen mit einer Zellengröße von 5 x 5 x 5 cm³ durchgeführt. Die konstruktiven Maße des Versuchsstandes wurden so gewählt, dass dieser sich in dieses 5-cm-Gitter einpasst, also keine geometrischen Approximationen notwendig wurden. Während der Brandversuche wurden permanent die Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck) gemessen. Diese wurden als Umgebungsbedingungen in den Nachsimulationen berücksichtigt. Da die Brandversuche in einer geschlossenen Brandhalle stattgefunden haben, können meteorologische Störfaktoren ausgeschlossen werden. Weiterhin wurden die Messgeräteparameter (z.b. Größe und Art der Thermoelemente) in der FDS- Eingabedatei hinterlegt. Die verwendeten Brandstoffe wurden für eine Bestimmung ihrer simulationsrelevanten Parameter einer umfangreichen Laboranalytik unterzogen. 4. Laboranalytik Zur Nachsimulation der Brandversuche wurde die ab Januar 2014 offiziell publizierte Software FDS 6 genutzt. Eine Besonderheit der neuen Version ist die veränderte Definition der Verbrennungsstöchiometrie im Quelltext. Es besteht nun die Auswahl zwischen einem einfachen und einem komplexen Stöchiometriemodell. Bei ersterem werden lediglich die Edukte sowie die Freisetzungsraten ausgewählter Produkte im Input-File hinterlegt. Beim

5 komplexen Stöchiometriemodell hingegen werden alle an der Reaktion beteiligten Edukte und Produkte sowie deren Massen- bzw. Volumenanteile definiert. Um das Potential des komplexen Stöchiometriemodells auszuschöpfen, wurde eine umfangreiche Laboranalytik zur Ermittlung der brandtechnischen Kennwerte der Brandstoffe durchgeführt. Durch die Elementaranalyse sowie die Bestimmung des Feuchte- und Aschegehaltes der Brandstoffe war die Aufstellung der stoffspezifischen Summenformeln möglich. Der als Eingangswert in der Berechnung des Rauchgasmassenstromes verwendete effektive Heizwert wurde am Cone-Kalorimeter bestimmt. Orientierend fand ebenfalls die Bestimmung des Brennwertes mit anschließender Umrechnung zum Heizwert über die Bombenkalorimetrie statt. Es ist anzumerken, dass die Eingangsdaten für Brandsimulationsberechnungen in den ingenieurpraktischen Anwendungen aufgrund der Unkenntnis von Art, Masse und Verteilung des Brandstoffes in der Regel nicht in einem solchen hohen Detailgrad vorliegen. Hier wird durch einen gewissen Verallgemeinerungsgrad stets auch eine Unsicherheit generiert, welcher wiederum durch konservative Annahmen bzw. Schätzungen begegnet wird. Weiterhin wurden Experimente durchgeführt, um ein möglichst reproduzierbares Abbrandverhalten der Krippen zu erreichen. Der Krippenaufbau wurde durch verschiedene Maßnahmen optimiert, unter anderem durch Drahtbefestigungen der Krippenbestandteile. 5. Vergleich der Ausbeuten aus den Cone-Kalorimeter-Prüfungen und den Realbrandversuch Nach Abschluss der Brandversuchsreihe erfolgte eine umfassende Aufarbeitung der gewonnenen Messdaten hinsichtlich simulationsrelevanter Kenngrößen. Die durch die Messdaten der Brandversuche ermittelten Rauchausbeuten wurden den Rauchausbeuten der im Vorfeld durchgeführten Cone-Kalorimeter-Prüfungen gegenübergestellt. Für die Mischkrippen aus Kunststoffen und Spanplatte ergab sich folgende Erkenntnisse in der Auswertung: die aus den Daten der Brandversuche berechneten, gemittelten Kohlendioxidausbeuten lagen i.d.r. leicht über den gemittelten Kohlendioxidausbeuten der Cone-Kalorimeter-Prüfungen. Dies ist vor allem auf die Ansprechschwelle der in den Brandversuchen zur Anwendung gekommenen Kohlendioxidsensoren zurückzuführen, wodurch geringe Kohlendioxidkonzentrationen messtechnisch nicht erfasst wurden. Bei den Kohlenmonoxidausbeuten liegen die aus den Daten der Brandversuche berechneten, gemittelten Ausbeuten grundsätzlich weit über den Ausbeuten der Cone-Kalorimeter- Prüfungen. Wie aus Abbildung 4 hervorgeht, zeigt der Verlauf der Kohlenmonoxidausbeute des Brandversuches zwei eindeutige Brandphasen. Bis zur 900. Sekunde findet eine flammende Verbrennung statt. Die berechneten Ausbeuten der Brandversuche stimmen hier mit den Ausbeuten der Cone-Kalorimeter-Prüfung (CK) gut überein. Mit dem Ende der flammenden Verbrennung wurde gemäß der Prüfnorm (ISO 5660) auch die Cone-Kalorimeter-Prüfung beendet. Es folgt in den Brandversuchen eine Schwelbrandphase mit erheblich höheren Kohlenmonoxidausbeuten, welche die Mittelwerte der aus den Daten der Brandversuche berechneten Ausbeute wesentlich anheben.

6 CO 2 -Ausbeute [g/g] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Zeit [s] CO-Ausbeute [g/g] YCO2 YCO2 (CK) YCO YCO (CK) Abbildung 4. Vergleich der Ausbeuten für die Mischbrandlast ABS + SP Der Vergleich der Rauchpartikelausbeuten für die Mischbrandlast aus ABS und Spanplatte ist durch eine wesentlich geringere, aus den Daten des Realbrandversuch berechneten Rauchpartikelausbeute gekennzeichnet, als sie sich aus den Cone-Kalorimeter-Prüfungen ergeben hat. Zum einen entstehen bei der Verbrennung von ABS großflockige und schwere Rauchpartikel, welche nicht durch den Abgasstrom in den Flurbereich transportiert wurden und somit bereits im Brandraum zu Boden sanken. Zum anderen bildete der fettige Ruß im Brandrauch eine starke Rußschicht an Wänden und Decken. Sowohl die auf dem Boden gesunkenen Rauchpartikel als auch der an den Bauteilen anhaftende Ruß entging der messtechnischen Erfassung. Rauchpartikelausbeute [g/g] 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Zeit [s] YS YS (CK) Abbildung 5: Vergleich Rauchpartikelausbeuten Mischbrandlast ABS + SP Bei dem Vergleich der Rauchpartikelausbeuten bei der Verbrennung von Isopropanol sind ebenfalls genauere Betrachtungen notwendig. Die im Brandversuch ermittelte Rauchpartikelausbeute übersteigt deutlich die bei der Cone-Kalorimeter-Prüfung ermittelte Ausbeute (siehe Abbildung 6). Grund hierfür sind die unterschiedlichen Skalierungen der Brände, aus denen wiederum unterschiedliche Turbulenzgrade der Verbrennung folgen. So liegt die flächenspezifische Abbrandrate bei dem 10 cm x 10 cm großen Verbrennungsgefäß des Cone-Kalorimeters bei ca. 0,01 kg / m² s. Für die Brandversuche konnte hingegen eine flächenspezifische Abbrandrate von ca. 0,05 kg / m² s ermittelt werden, welche auch in der Literatur wiederzufinden ist [5]. Weiterführende Forschungen hierzu wurden von Mulholland und Croarkin betrieben [6].

7 Rauchpartikelausbeute [g/g] 0,018 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0, Zeit [s] YS YS (CK) Abbildung 6: Vergleich Rauchpartikelausbeuten Isopropanol 6. Nachsimulation der Brandversuche Eine Auswahl von Brandversuchen wurde mittels Fire Dynamics Simulator Version nachsimuliert. Die Ergebnisse der Brandsimulationsberechnungen wurden mit den Auswertungen der Brandversuche verglichen. Weiterhin erfolgte eine Überprüfung der in FDS 6 neu implementierten "komplexen Stöchiometrie" sowie des neu hinzugekommenen Rußablagerungsmodells. Die Gegenüberstellung der Messwerte von Brandversuchen und Nachsimulationen ergab in Abhängigkeit der Brandleistung und der Komplexität der betrachteten Brandstoffe bzw. -kombinationen unterschiedlich gute Übereinstimmungen. Bei dem Vergleich der Gastemperaturen konnte festgestellt werden, dass diese durch FDS größtenteils zu niedrig berechnet wurden. Ausnahme hiervon bildete die Verbrennung von Isopropanol, wo sich gute Übereinstimmungen zeigten. Es konnten Abweichungen von 20 % bis 30 % zwischen den berechneten und den gemessenen Werten ermittelt werden. Abbildung 7: Gegenüberstellung der Temperaturen im Brandraum, ABS + SP Abbildung 8: Gegenüberstellung der Temperaturen im Flurbereich, ABS + SP Die Ausbreitung der Plume wurde im Flurbereich durch FDS schneller dargestellt, als sie tatsächlich stattfand. Hierdurch sind vor allem im Bereich bis 40 C höhere Temperaturwerte durch die Simulation errechnet wurden, als sie im Brandversuch tatsächlich auftraten. Beim Vergleich der Rauchgaskonzentrationen und der Rauchpartikelbeladung führten unterschiedliche Faktoren zu Differenzen zwischen Brandversuch und Simulation. In den

8 Nachsimulationen wurden die Rauchgas- und Rauchpartikelausbeuten als konstanter Wert übernommen. Dieser Wert repräsentiert den Mittelwert aus den jeweiligen Cone-Kalorimeter- Prüfungen von der Entflammung des Brandstoffes bis zum Erlöschen der Flamme. Tatsächlich sind Rauchgas- und Rauchpartikelausbeuten jedoch von der Brandphase und der Brandleistung abhängig und somit zeitlich variabel. Dies wird besonders aus dem in Abbildung 9 dargestellten Vergleich der Kohlenmonoxidkonzentrationen deutlich, wo die im Brandversuch in der Schwelbrandphase erheblich ansteigende Kohlenmonoxidkonzentration in der Simulation nicht auftritt. Die Simulation zeitabhängiger Ausbeuten ist jedoch in FDS 6 durch die neue Funktion Multiple Reaction möglich. Sie wurde nach Abschluss des Projektes getestet und als vollumfänglich funktionsfähig befunden. Abbildung 9: Gegenüberstellung der Kohlenmonoxidkonzentrationen, ABS + SP Abbildung 10: Gegenüberstellung der Transmissionen, ABS + SP Hinsichtlich der Rauchpartikelbeladung der Verbrennungsgase im Flur (Quantifizierung durch die Transmission) wurden durch die Nachsimulationen i.d.r. eine stärke Abschwächung der Transmission durch FDS berechnet, als dies im Realbrandversuch gegeben war (siehe Abbildung 10). Die Abbrände mit Beteiligung von Acrylnitril-Butadien-Styrol emittierten beim Realbrandversuch besonders großflockige und fettige Rauchpartikel, welche zum Teil bereits im Brandraum zu Boden sanken oder sich massiv an den Bauteilen des Brandversuchsstandes anlagerten. Die Imitation dieser Effekte soll durch das ebenfalls in FDS 6 neu implementierte Rußablagerungsmodell möglich sein. Jedoch konnten bei der Nachsimulation der Versuchskonfiguration mit dem Rußablagerungsmodell keine realitätsnahen Ergebnisse erzielt werden, da der Effekt der Rußablagerung unverhältnismäßig stark berechnet wurde. Ohne die Berücksichtigung von Rußablagerung und des Herabsinkens von Rauchpartikeln prognostizierte die durch FDS berechnete Simulation jedoch sehr konservative Werte hinsichtlich der optischen Dichte (siehe Abbildung 11). Abbildung 11: Vergleich des Transmissionsverlaufes

9 7. Schlussfolgerungen Die Nachsimulation der Brandversuche mit FDS 6 zeigt, dass selbst unter Kenntnis der laboranalytisch bestimmten verbrennungstechnischen Kennwerte und der Umgebungsbedingungen für die simulative Nachstellung von Brandereignissen Hintergrundwissen über die Rechenmodelle eines Simulationsprogrammes sowie ein grundlegendes Verständnis für Verbrennungs- und Strömungsprozesse unabdingbar sind. Die neuen, in FDS 6 eingeführten Möglichkeiten zur Implementierung der Verbrennungsstöchiometrie tragen wesentlich zur qualitativen Verbesserung von Simulationsmodellen bei. Das neue Submodell zur Berechnung der Rußablagerung an Bauteilen erbrachte jedoch keine validen Ergebnisse. Literatur: [1] Hosser, D. et. al.: Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes ; Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.v. (vfdb), TB 04-01, 3. Auflage, 2013 [2] Purser, D. A.: Assessment of hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases and Heat ; SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, Quincy, Massachusetts, 4th Edition, 2009 [3] Böttger, A.: Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen ; Masterarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg; Hochschule Magdeburg Stendal, 2014 [4] Münch, M.: Konzept zur Absicherung von CFD-Simulationen im Brandschutz und in der Gefahrenabwehr ; Berlin, INURI GmbH, 2013 [5] DECHEMA : Quelltermberechnung bei störungsbedingten Stoff- und Energiefreisetzungen in der Prozessindustrie, ProcessNet-Fachgemeinschaft Anlagen- und Prozesssicherheit, 2012 [6] Mulholland, G., Croarkin, C.: Specific Extinction Coefficient of Flame Generated Smoke, Fire and Materials 24, pp , 2000

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