Branddynamik Physikalische und chemische Mechanismen der Brand- und Rauchausbreitung

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Nicole Grosse
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1 Branddynamik Physikalische und chemische Mechanismen der Brand- und Rauchausbreitung PROF. DR. ROLAND GOERTZ Ltd. Branddirektor a. D. FACHBEREICH D ABTEILUNG SICHERHEITSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR ABWEHRENDEN BRANDSCHUTZ

2 Quelle: NIST NCSTAR 2: Vol. I, Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire

3 412 m 2 Quelle: NIST NCSTAR 2: Vol. I, Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire

5 90 s Simulation of egress for different scenarios Quelle: NIST NCSTAR 2: Vol. I, Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire

6 Temperatur 90 s nach Zündung Temperatures 1.5 m (5 ft) above floor 90 seconds after ignition, calculated from computer simulation of full-scale nightclub fire. 00:00:00 Brandentstehung 00:00:25 Flammen erreichen Decke 00:00:30 Band hört auf 00:00:41 Rauchmelder spricht an 00:00:09 Erste Notrufe werden angenommen 00:01:30 Rauchschicht erreicht Eingang (0,3 m stark) 00:01:40 Menschen bleiben im Eingang stecken Quelle: NIST NCSTAR 2: Vol. I, Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire

7 Quelle: NIST NCSTAR 2: Vol. I, Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire , kurz nach 23 Uhr > 100 Tote

8 Quelle: NIST NCSTAR 2: Vol. I, Report of the Technical Investigation of The Station Nightclub Fire

9 Stoff- und Energieströme Wärmestrom (Brandausbreitung) Stoffstrom (Rauch) Chemische Reaktion

12 Materielle Brandschadensbilanz Brandschadensbilanz Schäden durch unmittelbare Brandeinwirkung + Löschwasserschäden + Löschanlagenschäden + Rauchschäden + Sanierungs- und Entsorgungskosten + Betriebsunterbrechungszeiten + Ökologische Schäden + Imageverlust usw. = Gesamtschaden In Anlehnung an: Pulm, M. Falsche Taktik große Schäden Aus: Schneider et al., Baulicher Brandschutz

19 Definition des Risikos RISIKO = Eintrittswahrscheinlichkeit x Schadenausmaß Vorbeugende und abwehrende Maßnahmen

20 Voraussetzung für die Verbrennung Zündtemperatur Zündtemperatur

21 Fluchtmöglichkeiten, Rauch- und Brandausbreitung Die Freiheitsgrade Im Hochbau Innerhalb eines Tunnels

25 Grundlagen der Brand- und Rauchausbreitung

26 Brandverlauf -Temperatur T/ C Flash-Over ca. 18 Minuten t/min Dr. Goertz 09/02

27 Brandausbreitung: Flash-Over Eine Definition: Übergang von einem räumlich begrenzten Raum-Brand zu einem Zustand, bei dem alle Oberflächen des im Brandraum befindlichen Brandgutes brennen. Voraussetzungen: Waterman-Kriterium : >20 kw/m 2 am Fußboden Wärmestrahlung reicht nicht aus, um dicke Materialien zu entzünden. Diese werden jedoch thermisch aufbereitet. 600 C unter der Zimmerdecke Abbrandrate >40 g/s

29 Plume: ν F ν O + ν D ν P + ν P + ν D F + O 2 D P1 1 P2 2 D G = H T S Diagramme aus: Karlsson, Quintiere, Enclosure Fire Dynamics

30 Stoffbilanz des Raumbrandes m g = ausströmende Rauchgasmasse Neutrale Ebene m l = einströmende Frischluftmasse Überdruckzone Unterdruckzone m B = umgesetzte Brandgutmasse

32 Brandrauch - Systematisierung der Inhaltsstoffe?

34 Allgemeine Zusammensetzung von Brandrauch anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

35 Allgemeine Zusammensetzung von Brandrauch anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

36 Allgemeine Zusammensetzung von Brandrauch anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

37 Allgemeine Zusammensetzung von Brandrauch anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

38 Allgemeine Zusammensetzung von Brandrauch anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

39 Anorganische Brandgase anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

40 11 wichtige anorganische Brandgase Kohlenmonoxid: ppm CO Plötzlicher Tod HCN ppm Tod nach 30 min Inhalation ppm CO Tod nach NO 1 Stunde 2 x NH3 Inhalation ppm Gangstörungen, Tod nach 1-2 Stunden 500 ppm Halluzinationen nach min 200 ppm C Kopfschmerz nach 2-3 Stunden N 50 ppm MAK-Wert Cl 2 COCl 2 HCl Cl SO 2 H 2 S S PH 3 P

41 Sekundäre Lithium-Ionen-Akkus

42 Sekundäre Lithium-Ionen-Akkus

43 Sekundäre Lithium-Ionen-Akkus 380 K LiPF 6 LiF + PF 5 (unter Ausschluss von Wasser) PF 5 + H 2 O POF HF LiPF 6 + H 2 O LiF + POF HF POF 3 + H 2 O H 3 PO 4 + HF Thermal Stability of LiPF 6 Salt and Li-ion Battery Electrolytes Containing LiPF 6 Hui Yang a, Guorong V. Zhuangb, and Philip N. Ross, Jr. Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California, Berkeley, CA 94720

44 Organische Brandzersetzungsprodukte anorganische Brandgase organische Brandzersetzungsprodukte CO 2 Cl 2 NO x PH 3 SO 2 CO HCl HCN COCl 2 Ruß PCDD/F NH 3 H 2 S

46 Zonen bei der Verbrennung Brandzersetzungsprodukte Nachverbrennung der Schwelgase Luftzutritt Luftzutritt Reaktionszone Brandgut thermische Belastung

47 Entstehung aromatischer Verbindungen und Ruß kohlenstoffhaltiges Brandgut Radikale und kleine Moleküle Aromaten PAK Ruß CH 2 C 2 H 2 Nachverbrennung +O 2 +O 2 +O 2 CO 2 + H 2 O

49 Die trockene Holzdestillation

52 Chlorhaltige Brandgüter setzen Salzsäure frei HCl Cl 2 COCl 2 chlororganische Verbindungen Cl

53 PCDD/F begünstigende Faktoren für die Entstehung relevanter Mengen PCDD/F niedrige Temperatur Kupfer Vorläufersubstanzen (z. B. PCB) große Mengen chlorhaltiges Brandgut relevante Mengen PCDD/F Cly O Clx Cly O Clx O

54 Rauchausbreitung: Luftdichte in Abhängigkeit von der Temperatur Temperatur [K] Dichte [kg/m 3 ] ,26 1,22 1,18 0,70 0,50 0,32

55 Auftrieb des Rauches - Überdruck über der neutralen Ebene P i = ρ P 0 i g h P i h n P a P a = ρ P 0 a g h P = P i P a = g h ( ρ ρ ) a i h = 1,5 m T i = 850 C (ρ = 0,32 kg/m 3 ) T a = 20 C (ρ = 1,22 kg/m 3 ) P = 13 Pa

56 Brandausbreitung:

57 Physikalische Parameter der Flammenausbreitung - Temperatur - Richtung der Oberfläche - Ausbreitungsrichtung -Dicke - Wärmeleitfähigkeit - Wärmekapazität -Dichte - Geometrie der Anordnung Richtung 0 22, α Flammenausbreitungsgeschwindigkeit [mm/s] 3,6 6,3 11,2 29,

58 Ausbreitung von Feuer -Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmestrahlung Dr. Goertz 09/02

59 Energiebilanz des Raumbrandes h w = Wärmeaufnahme der Bauteile h l = konvektiver Wärmeverlust h g = Wärmeenergie der Brandraumatmosphäre h o = radialer Wärmeverlust h s = sonstiger Wärmeverlust h c = freigesetzte chemische Energie des Systems Energiebilanz h c = h l + h o + h w + h g + h s

60 Brandausbreitung: Flash-Over Wärmestrahlungsquellen: 1. Vertikale Flamme über dem Brandherd 2. Warme Oberflächen in den oberen Bereichen des Raumes 3. Flammen unter der Zimmerdecke 4. Warmer Rauch unter der Zimmerdecke Wirkung der Wärmestrahlung kw/m 2 Wirkung 0,67 Sonnenschein im Sommer (in England) 1 Maximum für unschädliche Hautbestrahlung 6,4 Schmerzen nach 8 s Hautexposition 10,4 Schmerzen nach 3 s Hautexposition 12,5 Holz lässt sich mit Pilotflamme leicht entzünden 16 Blasenbildung der Haut nach 5 s 29 Holz entzündet sich selbst

61 Brandausbreitung: Wärmestrahlung - Abstandsgesetz r r

62 Brandausbreitung: Einfluss der Deckenhöhe auf die Flur-Temperatur h = 970 mm h = h = 660 mm Aus: Drysdale, Introduction to Fire Dynamics

63 Aus: Drysdale, Introduction to Fire Dynamics Brandausbreitung: Einfluss der Deckenhöhe

65 Rauch: 1 m/s h ~ 1 Flammen: 0,5 1 m/min

71 Brandursachenermittlung

72 Brandursachenermittlung

73 Brandursachenermittlung

74 Brandursachenermittlung

75 Brandursachenermittlung

79 Brandursachenermittlung

80 Brandursachenermittlung - Simulation

81 Brandursachenermittlung - Simulation

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