Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen

Transkript

1 Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen Andreas Böttger, M.Sc. DB Systemtechnik GmbH Kurzfassung Im Brandfall stellt der freigesetzte Rauch die weitaus größte Gefährdung für Personen in baulichen Anlagen dar. Insbesondere Entstehungsbrände zeichnen sich mit ihren eingegrenzten Brandstoffen und geringen Energiefreisetzungen oft durch hohe Anteile an unvollständigen Verbrennungsprodukten in Form von sichttrübenden, toxischen und reizenden Brandrauchbestandteilen aus. Aus diesen Gründen sind die normativen Regelwerke, aber auch die Anwendungen von Ingenieurmethoden auf die Einhaltung einer raucharmen Schicht in Rettungswegen für die Zeitdauer der Selbstrettung hin ausgerichtet. Um für den Spezialfall horizontaler Rettungswege mit langer und schmaler Geometrie genauere Prognosen treffen zu können, wurden in einem realmaßstäblichen Versuchsaufbau Brandversuche durchgeführt. Wesentlich für die experimentelle Untersuchung der Rauchfreisetzung war die Auswahl praxisnaher Brandstoffe bzw. -kombinationen. Diese sollten zum einen typischen Entstehungsbrandszenarien in der Realität entsprechen (Wohnungs- und Bürobrände), zum anderen aber auch bezüglich der Rauchgasfreisetzung geeignete toxische und reizende Potentiale besitzen. Mit der Entwicklung eines Versuchs- und Messregimes wurde die Voraussetzung geschaffen, um die Rauch- und Energiefreisetzungen bei realmaßstäblich durchgeführten Versuchsbränden wissenschaftlich zu erfassen und im Anschluss auszuwerten. 1. Einleitung Wesentlich für die Beurteilung der Personensicherheit in Rettungswegen ist die Einhaltung einer raucharmen Schicht bestimmter Höhe. Durch die im Plume-Modell beschriebene Heißgasschicht in Deckenhöhe und deren als Ceiling Jet benannten horizontalen Ausbreitung können beim Eintritt in Rettungswegen die dortigen Luftverhältnisse soweit beieinträchtigt werden, dass die Nutzung im Sinne der Selbstrettung erschwert und sogar verhindert wird. Da bei Rettungswegen im Allgemeinen davon ausgegangen wird, dass diese aufgrund der angestrebten Brandlastfreiheit nicht selbst Brandentstehungsort sind und sie eher sekundär durch Brandraucheintrag Gefährdungen aufweisen können, sind sie durch bauordnungsrechtliche Vorschriften in Bezug auf Abtrennung von Nutzungseinheiten sowie in der Länge reglementiert. Hier spielen insbesondere der Rauchabschluss zu Nutzungseinheiten und bei Überschreitung der höchstzulässigen Rettungsweglänge die Unterteilung der Rettungswege in mehrere Rauchabschnitte eine wesentliche Rolle. Trotzdem ist ein Raucheintrag im Brandfall gegeben, sei es durch versehentliches oder absichtliches Offenstehen von Türen bzw. Abschlüssen, oder im gewissen Umfang auch bei der Nutzung durch das Öffnen der Türen selbst. Im Rahmen eines Masterarbeitsprojektes des Studienganges Sicherheit und Gefahrenabwehr wurde eine Versuchsreihe entwickelt und durchgeführt, um mit den gewonnenen Daten die zeitabhängige Überschreitung der Schutzzielkriterien in der raucharmen Schicht einzuschätzen und praxistaugliche Schlussfolgerungen zu erarbeiten. Im Fokus stand dabei die Bewertung der Toxizität der Rauchgase und der Sichttrübung bei verschiedenen Aufenthaltsdauern, welche die Zeitdauer der Selbstrettung darstellen. Die in

2 Ingenieurmethoden verwendeten Rechenmodelle zur Quantifizierung der Personensicherheit im Brandfall konnten somit einer kritischen Überprüfung unterzogen werden. 2. Entstehungsbrände und ihre Auswirkungen auf Rettungswege Über die Dauer des Entstehungsbrandes kann im räumlichen Umfeld meist noch von einer guten Ventilation ausgegangen werden. Allerdings sind Entstehungsbrände durch eine (unterschiedlich lange) Schwelbrandphase gekennzeichnet, in welcher der lokale Ventilationsgrad innerhalb der Geometrie des betreffenden Brandobjektes unter Umständen durchaus stark abfallen kann (Glimmbrand im Brandstoffinneren). Parallel verlaufen solche Entstehungs- bzw. Schwelbrände abhängig vom Energieeintrag des Zündinitials mit relativ geringem Temperaturanstieg. Dies hat zwei Folgen: zum einen eine verstärkte Freisetzung unvollständiger Verbrennungsprodukte infolge fehlender Energiebeträge bei der Stoffumsetzung, zum anderen aber auch weniger thermische Auftriebskraft aufgrund geringerer thermisch bedingter Dichteunterschiede im Vergleich zu fortgeschrittenen Brandphasen. Dies hat unmittelbare Auswirkungen bei einem Brandraucheintrag in einen horizontalen Rettungsweg. So kann es relativ rasch zu einer Abkühlung der minder warmen Heißgasschicht an den kühlen Raumwänden und damit zu einer Einmischung in die raucharme Schicht kommen. Auch weitere Störeinflüsse wie Turbulenzen an Strömungshindernissen, Impulseinträge durch Fremdströmungen wie Lüftungsanlagen, Luftbewegungen durch Personenströme usw. bewirken hier eine vorzeitige Durchmischung und gefährden damit die Schutzzielkriterien für eine Nutzung dieses Gebäudebereiches bzw. Rettungsweges. 3. Brandauswirkungen auf Personen Brandrauchauswirkungen werden nach folgenden Gesichtspunkten aufgeschlüsselt: toxische / narkotisierende Wirkungen reizende Wirkungen Licht- und damit auch Sichttrübungen thermische Wirkungen Bei Bränden werden die häufigsten Personenschädigungen durch Rauchgasinhalation hervorgerufen. Je nach Literatur geht man dabei von bis zu 80 % der verzeichneten Todesfälle aus. Die toxischen Wirkungen beruhen im Wesentlichen auf dem narkotisierenden Effekt, d.h. auf einer Sauerstoffminderversorgung der Körpergewebe (Hypoxie), welche sich zuerst und am gravierendsten auf das zentrale Nervensystem auswirkt. Damit wird die Handlungsfähigkeit der betroffenen Person herabgesetzt, was im Brandfall in Hinblick auf die Selbstrettung fatale Folgen hat. Hauptsächlich dafür verantwortlich sind die Brandrauchprodukte Kohlenmonoxid, Cyanwasserstoff sowie Kohlendioxid. Der Brandrauch verursacht meist auch eine akute Reizung der ihm ausgesetzten Schleimhäute. Dazu gehören die Augen und der gesamte Respirationstrakt. Somit wird bereits durch die reizenden Rauchbestandteile eine Beeinträchtigung in Bezug auf die Reaktionsfähigkeit erzielt. In höheren Konzentrationen können reizende bzw. ätzende Gase, beispielsweise durch Ausbildung von Lungenödemen, zeitverzögert auch letal wirken. Ganz entscheidend für die Selbstrettung ist die Erkennbarkeit des Fluchtweges über eine bestimmte Distanz. Die Sichtbarkeit des Fluchtweges und der Rettungszeichen wird durch die Partikel im Brandrauch herabgesetzt, wodurch die Orientierung im Gebäude erschwert wird.

3 Somit wird auch die Bewegungsgeschwindigkeit verringert und die Person der Rauchbelastung wiederum länger ausgesetzt. Eine weitere limitierende Größe bei der Personensicherheit in Rettungswegen ist die thermische Belastung. Sie kann einerseits durch Wärmestrahlung bedingt sein, wovon insbesondere unbedeckte Hautpartien wie das Gesicht betroffen sind. Andererseits führt die Inhalation heißer Luft bei Temperaturen von 80 C bis 120 C und entsprechender Einwirkdauer zur Erhöhung der Körpertemperatur und damit über Bewusstseinstrübung bis hin zum thermischen Schock. Bei Lufttemperaturen oberhalb von 180 C kann es zum sogenannten Inhalationstrauma kommen. Maßgeblichen Einfluss auf die thermische Wahrnehmung und die Auswirkungen hoher Temperaturen exponierter Personen hat dabei die vorliegende Luftfeuchtigkeit. Die beschriebenen Wirkungen und ihre Ursachen waren und sind Gegenstand vieler Untersuchungen. Sie können grundlegenden Werken wie beispielsweise dem SFPE-Handbuch [1] mit wissenschaftlicher Tiefe, mit Anwendungsorientierung in Ausarbeitungen wie dem vfdb- Leitfaden [2] und normativ den Regelwerken entnommen werden. 4. Aufbau des Realbrandversuchsstandes Für die Realbrandversuche war ein Versuchsaufbau mit definierten Umgebungsbedingungen sowie entsprechender Infrastruktur erforderlich. Dazu wurde am Institut der Feuerwehr Sachsen-Anhalt Heyrothsberge eine Brandversuchshalle genutzt, die aufgrund ihrer Dimensionen den Aufbau des realmaßstäblichen Versuchsstandes und mit ihrem Innenvolumen von 3000 m 3 den Betrieb bei geschlossenen Hallentoren erlaubte, ohne dass es während der Versuche zu Änderungen im Ventilationsgrad der Abbrände oder Rückeintrag von Brandrauch in den Versuchsstand kam. Der in Trockenbauweise erstellte Versuchsstand bestand aus einem Brandraum sowie einem unmittelbar angrenzenden Flurbereich. Der Brandraum wies eine Grundfläche von 7,5 m² auf, der Flurbereich eine Grundfläche von 20 m². Die Abmessungen können der Abbildung 1 entnommen werden. Brandraum Flurbereich Abbildung 1: Grundriss des Versuchsstandes

4 Beide Räume hatten eine einheitliche Deckenhöhe von 2,50 m. Die Räume waren über eine Öffnung in der Trennwand von 2,00 m Höhe und 1,00 m Breite verbunden. An dem vom Brandraum entfernt liegenden Ende des Flures befand sich eine Öffnung von 2,00 m Höhe und 1,50 m Breite, welche das Abströmen der Rauchgase in die umgebende Brandhalle ermöglichte. Abbildung 2 zeigt den Brandversuchsstand im fertiggestellten und messtechnisch komplett ausgestatteten Zustand. Abbildung 2: Außenansicht des Versuchsstandes 5. Messinstrumentierung Die messtechnische Ausstattung des Versuchsstandes erfolgte anhand der Untersuchungsziele, wobei hinsichtlich der Personensicherheit folgende Schwerpunkte gesetzt wurden: quantitative Erfassung physiologisch relevanter Brandgase Transmissionsmessungen zur Ermittlung der optischen Dichte Messung der Temperaturen Die Gasmessungen erfolgten mithilfe eines FTIR-Spektrometers Gasmet Dx-4000 des Herstellers Ansyco und drei Mehrgasmessgeräten Dräger X-am Das FTIR- Spektrometer ließ dabei die Erfassung der im FED-Modell 1 relevanten narkotisierenden Gase, aber auch die im FEC-Modell 2 aufgeführten reizenden Gase zu. Die Mehrgasmessgeräte bestimmten die Konzentrationen der maßgeblichen narkotisierenden Gase Kohlenmonoxid, Cyanwasserstoff und Kohlendioxid. Mithilfe von neuentwickelten Laser-Extinktionsmessgeräten wurde die Intensitätsschwächung infolge der Rauchdurchstrahlung erfasst und damit die Berechnung der optischen Dichte D L ermöglicht. Durch die Platzierung einer Vielzahl von schnellansprechenden Thermoelementen innerhalb der Geometrie des Versuchsstandes konnten einerseits die physiologischen Belastungen bei Nutzung des Rettungsweges, aber auch die Verläufe der Heißgasströme über die Versuchsdauer detektiert werden. 1 Fractional Effective Dose Modell zur Berücksichtigung von kumulierenden Einzeleinflüssen, siehe [1] 2 Fractional Effective Conzentration Modell zur Abschätzung der Gesamtauswirkungen der Reizgase, siehe [1]

5 Weitere Instrumente vervollständigten die Messungen: Abbrandwaage zur gravimetrischen Erfassung der Abbrandrate Wärmebildkamera zur Bestimmung der Flammenausdehnung und Heißgasschichtung bidirektionale Sonden zur Ermittlung von Zu- und Abluftströmungen Lumineszenzmeter zur Leuchtdichtemessung hinterleuchteter Sichtzeichen im Rettungswegbereich optische Rauchmelder im Deckenbereich des Rettungsweges zur Erfassung der Auslösezeitpunkte in Abhängigkeit von der Brandrauchausbreitung Es erfolgte eine umfassende Foto- und Videodokumentation der jeweiligen Brandversuche, anhand derer auch eine nachträgliche visuelle Beurteilung des Abbrandverhaltens und der Rauchausbreitung innerhalb des Versuchsstandes möglich wurde. Sämtliche Daten der Messwertaufnehmer wurden simultan über rechnergestützte Systeme erfasst. Synchronisiert mit den Videoaufzeichnungen lies dies eine ganzheitliche Betrachtung und Auswertung der Versuchsabläufe zu. Dabei stützte sich die Bewertung der Personensicherheit im Flurbereich auf drei gleichartig instrumentierte Messstrecken bei 3 m, 5 m und 8 m Flurlänge. Hier wurden in 2,0 m Höhe Gasentnahmesonden und Thermoelemente platziert sowie Extinktionsmessungen durchgeführt. So ließ sich die horizontale Ausbreitung der Heißgasschicht nachverfolgen. Die Messwertaufnahme betrug jeweils 30 min. In den meisten Fällen erfolgte in dieser Zeit ein vollständiger Abbrand der Versuchskörper. Dies wurde vor dem Hintergrund der möglichen Aufenthaltsdauern in rauchbelasteter Umgebung und den im Kap. 8 des vfdb- Leitfadens [2] hinterlegten dazugehörigen Anforderungen so gewählt. In der nachfolgenden Abbildung 3 wird die Platzierung der Messinstrumentierung dargestellt:

6 Abbildung 3: schematische Übersicht der Messgeräteanordnung (RM = Rauchwarnmelder, TE = Thermoelement, G = Gasentnahme Mehrgasmessgerät, FTIR = Gasentnahme FTIR-Spektrometer, T = Laser-Transmission, SZ = Rettungsweg- Sichtzeichen, TM = Maurer-Transmission) 6. Versuchsauswertung Als Brandstoffe wurden sowohl Brandflüssigkeiten und Kunststoffkrippen als auch Spanplatte-Kunststoff-Krippen mehrmals in derselben Konfiguration abgebrannt. Weiterhin wurden Realbrandkörper ohne Wiederholungsversuch verbrannt. Insgesamt erfolgten 31 Einzelversuche, eine detaillierte Auflistung der Brandstoffe/ -körper ist [3] zu entnehmen.

7 Die Auswertung der Brandversuche hinsichtlich der Personensicherheit erfolgte einerseits anhand der primären Messwerte, wie beispielsweise der jeweiligen Rauchgaskonzentrationen oder der Temperaturen bzw. direkt ableitbarer Parameter wie die optische Rauchdichte. Im Weiteren wurde über physiologische Belastungsmodelle die Handlungsfähigkeit von Personen unter Brandrauchexposition beurteilt. Folgende Modelle fanden dabei Eingang: FED-Modell nach Purser [1] (dosisabhängige Handlungsunfähigkeit durch narkotisierende Rauchgase) F-Modell des vfdb-leitfadens [2] (vergleichbar mit dem FED-Modell nach Purser) FEC-Modell nach Purser [1] (konzentrationsabhängiger Einfluss der reizenden Rauchgase auf die Selbstrettung) thermisches FED-Modell [2] (Beeinflussung der Selbstrettung durch Erhöhung der Körperkerntemperatur; hier beschränkt auf den konvektiven Wärmeeintrag) Anhand der dazugehörigen Grenz- bzw. Anhaltswerte konnten somit die zeitabhängigen Überschreitungen der jeweiligen Beurteilungsgrößen erfolgen. Alle Modelle wurden hinsichtlich ihrer Anhaltswerte mit den üblichen Sicherheitsfaktoren (0,3 gemäß [2]) belassen, die auch körperlich beeinträchtigten Personen eine hinreichende Selbstrettung ermöglichen würden. Entsprechend der Geometrie des Rettungsweges wurde der Anhaltswert für die optische Dichte von 0,2 m -1 gewählt, wie er im vfdb-leitfaden [2] für übersichtlich strukturierte Rettungswege und kurze Aufenthaltsdauer vorgeschlagen wird. In der vergleichenden Auswertung aller Versuche zeigt sich die in Abbildung 4 dargestellte Reihenfolge der Anhaltswert-Überschreitungen. Abbildung 4: Reihenfolge der Schutzzielüberschreitungen Es stellt sich sehr deutlich die Überschreitung der optischen Dichte (OD) in den meisten Fällen als die primäre Überschreitung heraus, gefolgt von der beginnenden Beeinträchtigung durch reizende Brandgase (FEC (IE)) 3. Trotz der relativ geringen Brandleistung der nachgestellten Entstehungsbrände war die thermische Belastung (FED (therm)) in der vorliegenden Geometrie des Versuchsstandes nicht zu vernachlässigen, wobei dies der kumulativen Wirkung, also eines angenommenen Anstiegs der Körperkerntemperatur geschuldet war. Bei Betrachtung der weiteren Reihenfolge 4 wird deutlich, dass die einsetzende Handlungsunfähigkeit durch narkotisierende Brandgase (FED (tox)) insgesamt 3 FEC (IE): beginnende Beeinträchtigung (Impair Escape) der Selbstrettung durch Reizgaseinflüsse 4 FEC (CI): signifikante Beeinträchtigung (Cause Incapacitation) der Selbstrettung durch Reizgaseinflüsse

8 nur viermal den Anhaltswert überschritten hat, und zwar stets erst nach mindestens zwei Überschreitungen von anderen Schutzzielkriterien. 7. Fazit und Aussicht Es wurden reproduzierbare und mittels eines umfangreichen Messregimes aufgezeichnete Brandversuche durchgeführt. Die Auswertung der Brandversuchsreihe unter dem Aspekt der Personensicherheit hat die These des vfdb-leitfadens bestätigt, dass die optische Dichte als kritischstes Schutzzielkriterium zu bewerten ist. Diese Aussage ist jedoch nur auf die flammende Verbrennung zu beziehen, da für die Schwelbrandphase eine primäre Gefährdung der Personensicherheit durch Kohlenmonoxid aufgezeigt wurde. Weiterhin wurde das im vfdb-leitfaden genannte Korrelationsverhältnis Kohlenmonoxid/Cyanwasserstoff von 12,5/1 für Stoffe mit einem Stickstoff-Massenanteil von mehr als 2 Masseprozent weitestgehend bestätigt. Die Auswertung der FED- und FEC-Modelle ergab, dass bei den durchgeführten Brandversuchen die Konzentration reizender Rauchgasbestandteile in mehreren Fällen zu einer Beeinträchtigung der Flucht über den notwendigen Flur geführt hätte. Die Dosis der narkotisierenden Rauchgase blieb in nahezu allen Fällen im unkritischen Bereich. Die kompletten Datensätze der Brandversuche, die im Zusammenhang mit den Masterarbeiten durchgeführten Berechnungen sowie die dazugehörigen studentischen Abschlussarbeiten [4]/[5]/[6] sind zukünftig bei Herrn Prof. Ulrich Krause, Universität Magdeburg (Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, Lehrstuhl für Anlagensicherheit) für Forschungszwecke abrufbar. Die der Fachwelt zur Verfügung gestellten Ergebnisse (inklusive der gesamten Datenlage) helfen somit, die zugrundeliegenden Modelle der Personensicherheit zu validieren und fortzuschreiben. Literaturverzeichnis: [1] Purser, D. A. (2008): Assessment of hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases and Heat ; SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, Quincy, Massachusetts, 4 th Edition [2] Hosser, D. (2013): Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes ; Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.v. (vfdb), TB 04-01, 3. Auflage [3] Wiezorek, M. (2015): Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen - Anwendung der CFD Software FDS zur Quantifizierung der Personensicherheit in horizontalen Rettungswegen ; Beitrag zum Tagungsband des 4. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztages [4] Böttger, A. (2014): Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen ; Masterarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg; Hochschule Magdeburg Stendal [5] Wiezorek, M. (2014): Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen Anwendung der CFD Software Fire Dynamics Simulator zur Quantifizierung der Personensicherheit ; Masterarbeit; Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg; Hochschule Magdeburg Stendal [6] Franke, E. (2014): Aufbau, Erprobung und Einsatz eines Extinktionsmessgerätes zur Bestimmung der Dichte von Rauch in Rettungswegen ; Masterarbeit; Otto-von-Guericke- Universität Magdeburg; Hochschule Magdeburg Stendal