Grundsätze für Rauchversuche in Gebäuden

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1 VFDB IG BS-Ing Interessengemeinschaft Brandschutzingenieure Inhalt 1 Einführung Hinweise zur Zielsetzung von Rauchversuchen in Gebäuden Aussagekraft und Extrapolation der Resultate von Rauchversuchen in Gebäuden Durchführung und Auswertung von Rauchversuchen in Gebäuden Hinweise zu Rauchversuchen mit kaltem Rauch Zusammenstellung von Grundsätzen für Rauchversuche in Gebäuden Einführung Rauchversuche in Gebäuden werden immer häufiger verlangt und durchgeführt. Dabei bleiben oft Fragen nach dem eigentlichen Ziel und der Aussagekraft solcher Versuche für die Beurteilung der Brandsicherheit offen. Das Wesen der Tests zur Wirksamkeit von Rauchabzugsanlagen besteht darin, daß auf der Grundlage der im Brandschutzgutachten enthaltenen Vorgaben zur Wärmefreisetzungsrate der Entstehungsbrand und der entwickelte Brand als lokales Feuer im Testgebäude nachgebildet wird. Dabei werden die Abströmraten aus den Rauchableiteinrichtungen gemessen. Es wird mit diesen Meßergebnissen (wie Versuche bis 6 MW ergaben) zulässig auf einen Brand mit größerer Wärmeleistung extrapoliert und die so gewonnenen Ergebnisse zur Leistung der Rauchableiteinrichtungen mit den Ansätzen im Brandschutzgutachten verglichen. Damit ist eine Bewertung zur Funktion der Anlage möglich. Die nachstehenden Hinweise sollen vor allem den Genehmigungsbehörden, Bauherrn und anderen an der Durchführung von Untersuchungen an Rauchableiteinrichtungen Interessierten eine Hilfe sein, um die theoretische und sachliche Richtigkeit derartiger Versuche beurteilen zu können. Mit den nachstehenden Ausführungen sollen die Erkenntnisse führender Brandschutzingenieure und Vertreter von Genehmigungsbehörden sowie der Feuerwehren in konzentrierter Form an die Praxis weitergegeben werden. In der Interessengemeinschaft Brandschutzingenieure - IG BS-Ing haben sich unter dem Dach der vfdb folgende Mitglieder und Gäste zusammengeschlossen, um ihre Erfahrungen mit besonderen Aspekten ingenieurgemäßer Brandsicherheitsnachweise an die Praxis weiterzugeben: c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 1 von 1

2 Mitglied Herr Prof. Dr.-Ing. Gert Beilicke Herr Dipl.-Ing. Rudolf Drescher Herr Direktor Prof.-Dr. Reinhard Grabski Herr Dr.-Ing. Eckhard Hagen Herr Ltd. Branddirektor Dipl.-Ing. Harald Hagen Herr Branddirektor Dipl.-Ing. Dirk Hennebach Frau Dr.Ing. Marita Kersken-Bradley Herr Dipl.-Ing. Udo Kirchner Herr Prof. Wolfram Klingsch Herr Dipl.-Ing. Peter Lorsbach Herr Dr.-Ing. Ulrich Max Herr Dr. Willi Siegfried Herr Ministerialrat Prof. Temme Herr Dipl.-Ing. Erhardt Wilk Herr Dr.-Ing. Jürgen Wiese Stelle / Ingenieurbüro für Brandschutz Ingenieurbüro für Brand- und Explosionsschutz, Leipzig Sachverständigen und Ingenieurbüro für Brandschutz, Herbolzheim Institut der Feuerwehr - Sachsen-Anhalt, Heyrothsberge Ingenieur- und Sachverständigenbüro für Brandschutz, Kleve Amtsleiter der Berufsfeuerwehr Wiesbaden Amtsleiter der Berufsfeuerwehr Leverkusen Kersken + Kirchner GmbH, München Sachverständigenbüro Halfkann + Kirchner, Erkelenz Berg. Universität Wuppertal, Baustofftechnologie und Brandschutz, FB 11 - Bautechnik Brandschutzsachverständiger, Solingen Arbeitsgemeinschaft Brandsicherheit, Bruchsal Ingenieurbüro Hosser, Hass und Partner; Ing.- Ges. für Bauwesen und Brandschutz mbh Ministerium für Bauen und Wohnen NRW, Düsseldorf Brandschutz Consult Ingenieurgesellschaft mbh, Leipzig Sachverständigenbüro Halfkann + Kirchner, Erkelenz und Organisator der IGBS-Ing innerhalb der vfdb Diese Ausarbeitung wurde den Referaten 1 Vorbeugender Brandschutz und 15 Ingenieurmethoden des vorbeugenden baulichen Brandschutzes der vfdb zur Stellungnahme vorgelegt. 2 Hinweise zur Zielsetzung von Rauchversuchen in Gebäuden Rauchversuche in Gebäuden dienen der experimentellen Überprüfung der Funktionsfähigkeit und / oder der Wirksamkeit von installierten Vorkehrungen für den Rauchabzug. Sie sollen insbesondere zu der Beurteilung solcher Rauchabzugssysteme Erkenntnisse beitragen, die individuell auf der Basis nicht normativ geregelter Verfahren bemessenen und ausgelegt worden sind. Rauchversuche in Gebäuden werden ausdrücklich nicht erforderlich und sind nicht sinnvoll in Fällen, bei denen die Bemessung der Rauchabzugsvorkehrungen entweder gemäß bauordnungsrechtlicher Vorschriften (z. B. konkrete Festlegungen in den Landesbauordnungen, Verordnungen oder Richtlinien) oder entsprechend genormter Bemessungsansätze (z. B. nach DIN 18232) ausgelegt worden sind. Eine Überprüfung dieser Festlegungen oder der tatsächlichen Wirkung solcher Anlagen ist im allgemeinen entbehrlich, da Restrisiken, die c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 2 von 2

3 mit einer derartigen Bemessung verbunden sind, bereits abschließend von den zuständigen Gremien für die allgemeine Anwendung geprüft und akzeptiert worden sind. Rauchversuche in Gebäuden erhalten eine besonders hohe Bedeutung, wenn sie zur Überprüfung der Sicherheit von Rettungswegen eingesetzt werden. Im allgemeinen stellt das Bauordnungsrecht die Sicherheit von Rettungswegen durch bauliche Maßnahmen sicher; dies geschieht durch die Begrenzung der zulässigen Rettungsweglängen und durch Anforderungen an die Brennbarkeit der Baustoffe in Verbindung mit weiteren Anforderungen an die Beschaffenheit von Rettungswegen. Insbesondere das Mittel der Begrenzung von Rettungsweglängen stößt dort an Grenzen, wo die Art und Nutzung der Gebäude außergewöhnliche Randbedingungen vorgeben; zu solchen Gebäuden zählen zum Beispiel Verkaufsstätten (Ladenstraßen), Atrien, Industriebauten (i. a. kein Problem, da die Personengefährdung hier sehr begrenzt ist) und Versammlungsstätten (Innenräume von zum Teil mehr als 60m Länge in Verbindung außergewöhnlicher Höhe; Foyers und Versammlungsräume mit offenen Verbindungen von Geschoßebenen). Gerade bei letztgenannten Versammlungsstätten ist als Grundlage für die Entrauchungskonzeption auf die i. a. stark begrenzten Brandlasten als Bemessungsszenarium einzugehen. 3 Aussagekraft und Extrapolation der Resultate von Rauchversuchen in Gebäuden Die Aussagekraft und die Extrapolationsfähigkeit von Rauchversuchen in Gebäuden hängt im wesentlichen von deren Planung und Durchführung ab. Meist werden lediglich Aussagen über die Funktionsfähigkeit einer installierten Rauchabzugsvorrichtung im Zusammenwirken mit anderen Komponenten des Gebäudes insbesondere der Gebäudetechnik benötigt. Weitergehende, quantititative Aussagen über die Wirksamkeit (Effektivität) einer solchen Rauchabzugsvorkehrung im anzunehmenden Brandfall benötigen dagegen einen erheblichen Aufwand für die Planung (Vorbereitung / Vorberechnung), Durchführung und Auswertung der Versuche. Die häufig geäußerte Auffassung, wonach Versuche mit kaltem Rauch hinreichende Aussagen für die Abführung von heißem Brandrauch ermöglichen, ist nur begrenzt gültig. Insbesondere sind zur Zeit keine Methoden bekannt, mit denen experimentelle Untersuchungen in Gebäudekubaturen für die Beurteilung der Sichtweite in Rauchschichten übertragen und genutzt werden können. Je nach der benötigten Aussage müssen die Rauchversuche in Gebäuden unterschiedlich und mit unterschiedlichem materiellen und ingenieurwissenschaftlichem Aufwand vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet werden. Hierzu werden Rauchversuche in drei Stufen unterschieden. 4 Durchführung und Auswertung von Rauchversuchen in Gebäuden Grundsätzlich müssen die Stellen und Personen, die solche Rauchversuche in Gebäuden durchführen und interpretieren sollen, hierfür geeignet sein. Sie müssen sich über die c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 3 von 3

4 Schutzziele der Rauchabzugsvorkehrungen im Klaren sein (d. h., sie müssen das Brandschutzkonzept für den betreffenden Gebäudeabschnitt verstanden haben) und die technischen Zusammenhänge beurteilen können. Selbstverständlich müssen sie über die erforderlichen Gerätschaften und über die entsprechenden Spezialkenntnisse verfügen. Besondere Anforderungen an eine Unabhängigkeit der versuchsdurchführenden Stelle von den sonstigen am Bau beteiligten Stellen oder Personen muß nicht gefordert werden, da die Versuche und deren Auswertung mit hinreichender Objektivität dokumentiert werden müssen. Somit wird einer mißbräuchlichen Anwendung von Rauchversuchen in Gebäuden hinreichend vorgebeugt. 5 Hinweise zu Rauchversuchen mit kaltem Rauch Im Zusammenhang mit der Durchführung von Rauchtests oder Rauchversuchen wird immer wieder die Auffassung geäußert, dass die Probe mit kaltem Rauch eine konservative Beurteilung darstelle und somit die Funktionsweise auch bei hohen Rauchgastemperaturen garantiert sei. Dieser Auffassung ist zunächst entgegenzuhalten, dass auch eine konservative Herangehensweise bemüht sein muss, die kleinste obere Schranke zu finden. Ansonsten begibt man sich in Gefahr, optimierte Lösungen durch undifferenzierte Methoden auszuschließen. Dies ist nicht im Sinne moderner Ingenieurmethoden, die gerade dazu geschaffen wurden maßgeschneiderte Konzepte zu erstellen. Neben der grundsätzlichen Kritik an dieser Vorgehensweise können aber auch inhaltliche Vorbehalte geltend gemacht werden. Diese Vorbehalte richten sich gegen die Allgemeingültigkeit der obigen Aussage und sollen im folgenden genauer dargelegt werden. Dazu sind einige physikalische Grundlagen unerlässlich. Bei einem Brand steigen die heißen Rauchgase aufgrund ihres Auftriebs über dem Brandherd auf. Bei ausreichender Quellstärke führt dies zu einer typischen aufwärts gerichteten Konvektionsströmung in Form einer Rauchgassäule (Plume). Bei ausreichend großem Auftrieb strömen die Rauchgase bis zur Decke und breiten sich dort aus. Aufgrund einer Vielzahl von Experimenten und theoretischer Untersuchungen sind die vorliegenden Ansätze zur Beschreibung dieses Vorgangs ausreichend abgesichert. Danach ist die Rauchgasproduktion, ausgedrückt als Massenstrom (Masse pro Zeiteinheit), abhängig von der Strömungsweglänge der Rauchgase vom Brandherd bis zur Untergrenze der Rauchgasschicht oder der Decke (beispielsweise im Anfangsstadium eines Brandes) und der Brandintensität. Beide Parameter sind zeitabhängig. Die Abhängigkeit von der Strömungsweglänge rührt daher, daß die Rauchgase entlang ihres Strömungswegs Umgebungsluft einmischen. Aufgrund des nichtlinearen Charakters dieser Abhängigkeit nimmt die Rauchgasproduktion mit zunehmender vertikaler Strömungsweglänge überproportional zu. Dabei vermischt sich kühlere Umgebungsluft mit den heißen Brandgasen. Dies ist auch der Grund für die Temperaturabnahme mit zunehmendem vertikalen Abstand vom Brandherd. Somit bestimmt zwar die Verbrennung die Menge der Brandprodukte (Zusammensetzung und optische Eigenschaften der Rauchgase), aber nicht die gesamte Rauchgasproduktion. Zur Ausbildung dieser Plumeströmung ist es wesentlich, dass eine ausreichende Quellstärke (Brandintensität) vorliegt. Ist dies nicht der Fall, kann sich diese Strömung nicht ausbilden und die Rauchgase steigen nur teilweise bis zur Decke auf oder brauchen dazu extrem lang. Die notwendige Quellstärke ist dabei abhängig von den geometrischen Randbedingungen c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 4 von 4

5 und einer eventuell schon vorhandenen Schichtung (Sperrschicht). Eine Nichtbeachtung dieser unteren Grenze bei Rauchversuchen muss daher bei der Beurteilung einer Auslegung für reale Brände scheitern, da sich diese für Brände typische Strömung nicht oder nur unvollständig einstellt. Aus der Anwendung der bestehenden Grundlagen für die Rauchgasproduktion können weiterhin folgende grobe Regeln abgeleitet werden. Die Rauchgasproduktion nimmt mit wachsender Brandintensität und zunehmender Einmischungshöhe zu. Daraus folgt aber unmittelbar, dass Rauchversuche mit geringer Quellstärke (geringer Brandintensität) nicht die gleiche Rauchgasproduktionsrate hervorbringen wie reale Brände mit größerer Brandintensität. Auch aus diesem Grund ist daher bei der Annahme Vorsicht geboten, dass kalter Rauch in jedem Fall zu konservativen Beurteilungen führt. Wird die aufwärts gerichtete Strömung durch besondere Gerätschaften mit hohem Impuls (gerichteter Strahl) erzwungen, entstehen oftmals undefinierte Verhältnisse, weil die daraus entstehenden Bedingungen nicht mit den bei einem realen Brandereignis anzutreffenden korrelieren. Beispielsweise können Rauchgasmengen von ähnlicher Größenordnung bei deutlich niedrigerer Temperatur entstehen. Unter sonst gleichen Randbedingungen führt dies i. a. zu einer niedrigeren rauchgasfreien Schicht und im Extremfall zu einer vollständigen Verrauchung. Dies ist zwar konservativ, führt aber konzeptionell in die Irre, da daraus keine fundierte Beurteilung abgeleitet werden kann. Ein weiterer grundsätzlicher Irrtum besteht in der Annahme, dass die Entrauchung immer besser funktioniert, je höher die Rauchgastemperatur ausfällt. Diese Annahme ist im allgemeinen falsch. Dies lässt sich am leichtesten bei der maschinellen Entrauchung nachvollziehen. Da ein Ventilator einen definierten Volumenstrom transportiert, geht der Massenstrom (Produkt aus Volumenstrom und Dichte) mit zunehmender Temperatur (abnehmende Dichte) zurück. Daher fördert der Ventilator bei sehr niedrigen Rauchgastemperaturen einen höheren Massenstrom als bei hohen Temperaturen und somit ist die Probe mit kühlen Rauchgasen keineswegs konservativ. Aber auch bei natürlich wirkenden Rauchabzugsgeräten ist die grundsätzliche Annahme nicht richtig. Hier wirkt zwar die Dichtedifferenz als Triebkraft für den Massenstrom aus den RWA, aber auch in diesem Fall führt die abnehmende Dichte zu einer Begrenzung. Die zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten erzwingen eine konvexe Massenstromcharakteristik, bei der der Massenstrom zunächst mit der Temperatur zunimmt, nach Erreichen eines Maximums aber wieder abnimmt. Obwohl diese Gesetzmäßigkeit für die meisten Rauchversuche von untergeordneter Bedeutung sein dürfte, ist sie für das grundlegende Verständnis der Vorgänge von Wichtigkeit. Rauchversuche mit kaltem und künstlichen Rauch können in einem weiteren Punkt zu Fehlschlüssen Anlass geben. Dies ist dann zu befürchten, wenn die Auslegung nicht auf eine rauchgasfreie Schicht abzielt, sondern auf eine ausreichende Sichtweite. In diesem Fall sind die unterschiedlichen Bedingungen nach heutigem Stand der Wissenschaft noch nicht vergleichbar. Dies rührt daher, dass die meisten Rauchgase eine andere Zusammensetzung aufweisen als die künstlichen Produkte und sich hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Reduktion der Sichtweite unterschiedlich verhalten. Aus den genannten Gründen ist die eingangs zitierte Hypothese über die Durchführung von Rauchversuchen mit kaltem Rauch nicht stimmig. Wie oben gezeigt, existieren eine Reihe von Problemen, die mit der einfachen Hypothese nicht in Einklang zu bringen sind oder zumindest zu verzerrten Ergebnissen führen können. Das Instrumentarium der Ingenieur- c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 5 von 5

6 wissenschaften erlaubt eine sehr differenzierte Betrachtung der Vorgänge und es sollte selbstverständlich sein, dass die Methoden der Prüfung die kurz geschilderten Grundlagen berücksichtigen und nicht grober und fehlerhafter sind als die Auslegungen mit Hilfe moderner Ansätze. Werden vereinfachte Rauchversuche ohne differenzierte Betrachtung ausgeführt, so muss man sich über den qualitativen Charakter der Ergebnisse im Klaren sein. c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 6 von 6

7 6 Zusammenstellung von Grundsätzen für Rauchversuche in Gebäuden Stufe Zielstellung Mögliche Aussagen Geräte Versuchsansatz 1 2 Allgemeine Bewertung des Strömungsverhaltens im Gebäude; Geeignet für jede Art von Rauchabzugs- und Rauchschutzdruckanlagen; Mit künstlichem Rauch soll lediglich die natürliche Strömung im Gebäude sichtbar gemacht werden. Test von MA und qualitative Beurteilung zur Wirkungsweise des Entrauchungssystems bei NA; eventuell in Bezug zu raumlufttechnischen Anlagen; Es können mehrere Szenarien nachgestaltet werden. Bewertung zum Zusammenwirken der Komponenten der Rauchschutzanlage; mit diesem Ansatz kann das allgemeine Strömungsverhalten im Gebäude beurteilt werden; Darstellung der Rauchströmung mit Ausbildung von Rauchschichten im Vergleich mit der Rauchschichtdicke lt. Brandsimulationsrechnung; Aerosolgenerator (Rauchmaschine) mit geringer thermischer Untersützung oder unter Nutzung des gebäudeeigenen Strömungsverhaltens; Aerosolgenerator mit festlegbarem Abgangsvolumenstrom ohne verfälschendem vertikalen Impuls; mäßige Wärmequelle für MA und für NA; Aufgabe von Rauchmengen, die dem jeweiligen Bemessungsbrand als Funktion der Zeit entsprechen; Dokumentation Videoaufzeichnungen oder / und Fotoaufnahmen; Messungen: Strömungsmessungen können Aufschluß über Einbzw. Ausströmraten als Funktion der Innen- und Außentemperatur geben; Temperaturmessungen; Videoaufzeichnungen oder / und Fotoaufnahmen; Messung: * zugeführter Rauchvolumenstrom * Abgangstemperatur * Wärmefreisetzung * Temperatur an den Einstömöffnungen; * Volumenstrom bei MA; Bemerkungen Ersteller des Brandschutzkonzeptes und Prüfer lt. Techn. Prüfbzw. Hausprüfverordnung einbeziehen; wie oben; Windlasten sind mit dieser Versuchsanordnung nicht kompensierbar, deswegen müssen die außenklimatischen Bedingungen bei der Versuchsauswertung berücksichtigt werden; Geringe thermische Unterstützung: kw mäßige thermische Unterstützung: kw c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 7 von 7

8 Anmerkung: Bei Versuchen lt. Stufe 2 sollten im Raum Temperaturdifferenzen von mindestens 5 K erzeugt werden; die Wärmefreisetzung des Testfeuers ist der Raumgröße und der erwarteten Durchströmung anzupassen. Stufe Zielstellung Mögliche Aussagen Geräte Versuchsansatz 3 Quantitative Untersuchung der Wirksamkeit vor allem natürlicher Rauchabzugsanlagen; Experimentelle Überprüfung des Ausströmverhaltens der Rauchschutzanlage auf der Grundlage des Rauchschutzkonzeptes. In diesem Fall sollte der Windeinfluß berücksichtigt werden. Im Ergebnis des Versuches können erforderliche Veränderungen an der Anlage nachgewiesen und begründet werden. Aerosolgenerator mit festlegbarem Abgangsvolumenstrom ohne verfälschendem vertikalem Impuls mit bemessungsabhängiger thermischer Unterstützung; Es werden bezogen auf den Auslegungsansatz für die Rauchabzugsanlage mehrere Stützstellen der Wärmefreisetzung nachgebildet, um die Wirkungen eines Entstehungsbrandes zu simulieren. Die Extrapolation auf größere Wärmefreisetzungsraten ist möglich. Dokumentation Videoaufzeichnungen oder / und Fotoaufnahmen; Messungen: wie 2, zuzüglich Messung der Strömung an den Öffnungen; Wind und Außentemperatur; Ausführliche Dokumentation erforderlich; Bemerkungen Ersteller des Brandschutzkonzeptes und Prüfer lt. Techn. Prüfbzw. Hausprüfverordnung einbeziehen; Abstimmung des Versuchsansatzes mit dem Brandschutzgutachter, dem Bauherrn und mit den Behörden. Anmerkung: Dem Versuch nach Stufe 3 sollte eine Vorrechnung mit einem experimentell auf die Methode validierten Brandsimulationsprogramm vorausgehen, um die zu erwartenden mit den gemessenen Werten vergleichen zu können. Erwartungswerte gründen sich auf die vom Gutachter vorgelegten Brandsimulationsrechnungen. Die Vorrechnung ist auch erforderlich, da in den Brandsimulationsrechnungen meist keine Angaben zu den Abstromvolumina bezogen auf die im Gebäude vorhandenen Rauchabzugsöffnungen vorliegen. c:\windows\temp\rl000825b.doc Seite 8 von 8

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