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1 Anwendungsschwerpunkte von Zonen- und CFD-Modellen im Brandschutz o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dr. h. c. Ulrich Schneider, Dipl.-Ing. Hubert Kirchberger TU Wien, Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz A-1040 Wien Karlsplatz 13/206 Tel.: 01 / Fax: 01 / Einleitung Die Anwendung der Methoden des Brandschutzingeni - eurwesens hat in vielen Ländern bereits einen festen Platz im Rahmen von Brandschutzkonzepten, -planungen und -nachweisen. Fortschreitende Entwicklungen in der Architektur und dem Gebäudedesign führen zwangsläufig zu einer Abkehr von den konventionellen (deskriptiven, beschreibenden) Brandschutzanforderungen und gehen in Richtung einer zielorientierten Brandschutzplanung, welche insbesondere auch eine quantifizierbare Bewertung der Brandsicherheit ermöglicht. Durch die Simulation von natürlichen Bränden und deren Einwirkungen in den betroffenen Gebäuden sowie den darin befindlichen Personen wird es möglich, die brandschutztechnische Auslegung den tatsächlich zu erwartenden Brandgefahren anzupassen. Im Rahmen der Ingenieurmethoden können die verschiedensten Brandschutznachweise durchgeführt werden. Die nachstehende Tabelle 1.1 gibt eine Übersicht von den zur Verfügung stehenden Nachweismethoden. Bei der Durchführung der oben genannten Nachweise kommen verschiedene Rechenverfahren und Brandsimulationsmodelle zur Anwendung. Die Brandmodelle und Simulationsverfahren ermöglichen in der Regel die Berechnung der Brandentwicklung in einem Raum, einschließlich der Brandrauchproduktion und mit Einschränkungen die Entwicklung von toxischen Produkten im Rauch, Ausbreitung von Rauch und Feuer in einem Bauwerk und dessen Nachbarschaft (Nachbargebäude, Umgebung). Dabei ist der physikalische Inhalt der Modelle durchaus unterschiedlich, sodass die erzielten Ergebnisse in gewissen Bandbreiten liegen können. Bei den Brandsimulationsmodellen sind grundsätzlich zwei große Modelltypen zu unterscheiden. Diese sind: Zonenmodelle (z. B. MRFC - Multi Room Fire Code, CFAST, MAGIC,...) CFD-Modelle (z. B. FDS, JASMINE, FLUENT,...) Ingenieurmethode für den Nachweis Strukturberechnungen; statische Nachweise im Heißzustand Brandsimulationsmodelle; Berechnungsverfahren zur Simulation der Rauch- und Feuerausbreitung Brandsimulationsmodelle; Berechnungsverfahren zur Simulation des Brandüberschlags und der Wärmestrahlung Evakuierungssimulationsmodelle; Evakuierungs- berechnungen und -versuche Brandsimulationsmodelle; Berechnungsverfahren zur Berechnung der Verrauchung und des Flash-Overs Ziel des Brandschutznachweises Überprüfung der Tragfähigkeit einer Konstruktion für einen bestimmten Zeitraum Überprüfung der Maßnahmen zur Minimierung der Ausbreitung von Feuer und Rauch innerhalb eines Bauwerks Überprüfung der Maßnahmen zur Minimierung der Ausbreitung von Feuer und Rauch außerhalb eines Bauwerks Sicherstellung der sicheren Evakuierung von Personen aus Bauwerken Sicherstellung der Sicherheit von Rettungskräften Tab. 1.1: Nachweis der Brandsicherheit durch Brandschutzingenieurmethoden 20

2 m Brandschutz 2. Zonenmodelle 2.1 Grundlagen Zonenmodelle sind vereinfachte physikalische Brandmodelle, welche den Brandabschnitt und die angrenzenden Bereiche horizontal und vertikal in unterschiedliche Zonen unterteilen, wobei die Temperaturbedingungen in jeder Zone zu jedem Zeitpunkt als homogen angenommen werden (siehe Abb. 2.1). Das einfachste Modell ist ein Ein-Zonen-Modell für den voll entwickelten Brand, bei dem die Bedingungen innerhalb eines Raumes als einheitlich angenommen und durch eine einzige zeitabhängige Temperatur dargestellt werden. Das erste Ein-Zonen- Modell wurde von Kawagoe 1954 entwickelt (Japan), einige Jahre später in den 70er-Jahren wurden weitere Ein- Zonen-Modelle entwickelt (Pettersson, Magnusson u. Thor 1976; Babrauskas u. Williamson 1978, Schneider u. Haksever 1980). Seit Anfang der 80er-Jahre sind die Zonenmodelle zu Mehrzonen- und Mehrraum-Modellen für die Simulation der von lokalen und sich entwickelnden Bränden erweitert und weiterentwickelt worden. Weithin bekannte Modelle dieser Art sind CFAST (Jones, NIST), MRFC (Max, Schneider, Lebeda; AGB/TU Wien), Argos (Danish Institute of Fire Technology) und OZONE (Cadorin, Franssen, University of Liège). Abb. 2.1: Beispiel für die Brandmodellierung bei einem Zonenmodell Der theoretische Hintergrund der Zonenmodelle sind die Erhaltungsgleichungen von Masse und Energie in den Brandabschnitten. Im Allgemeinen berücksichtigen die Modelle die Wärmefreisetzungsrate der brennbaren Materialien, die Feuer-Plume-Temperatur, die Massenflüsse, die Verteilung und Abströmung des Rauches und die Temperaturen der Konstruktion. Die Physik des Brandverhaltens und der Verteilung des Rauches, die durch die Modelle vorgeschlagen werden, basiert auf experimentellen Beobachtungen von realen Bränden, den Grundgleichungen der Verbrennungslehre, den Strömungsgleichungen nach Bernoulli und die Berechnung der Wärmeleitung nach Fourier. Die Geometrie der Räume sowie die Dimensionen und die Lage von Öffnungen können in realer Größe und Dimension modelliert werden, ebenso wie die Rauchgasverteilung und -strömung in Öffnungen der einzelnen Zonen bzw. Raumbereiche. 2.2 Multi-Room-Fire-Code (MRFC) Ein Beispiel für ein fortgeschrittenes Zonenmodell ist der Multi-Room-Fire-Code (MRFC), welcher in den 80er- Jahren von der Universität Kassel und der AGB (Bruchsal) als Fortran-Code und seit Mitte der 90er-Jahre gemeinsam mit der Technischen Universität Wien weiterentwickelt wurde. Dieses Mehrraum-Mehrzonen-Modell wurde ursprünglich entwickelt um natürliche Brände und ihre Auswirkungen in großen Räumen und Gebäuden z.b. Industriegebäuden und Kernkraftwerken zu simulieren. Das ursprüngliche Fortran-Programm wurde zwischenzeitlich mit benutzungsfreundlichen Pre- (grafische Oberfläche) und Postprozessoren sowie einem Viewer zur Visualisierung bestimmter Ergebnisse ausgestattet Grundlagen des Rechenmodells MRFC Zur Simulation von natürlichen Bränden wurde ein Modell entwickelt, welches die das Brandgeschehen beschreibenden physikalischen Größen (Temperatur, Brandrauchmenge, Brandrauchschichtdicken, usw.) im Brand - raum und in den angrenzenden Räumen vergleichsweise schnell berechnet, wobei der Schwerpunkt bei der Simulation auf der genauen Berechnung der Brandgrößen (Temperaturen und Rauchverteilung) in der Umgebung des Brandes liegt. Dem Programmpaket MRFC (Multi-Room-Fire-Code) liegt ein Mehrraum-Mehrzonen-Modell zu Grunde, bei dem über eine Kopplung von beliebig zugeordneten Räumen mit jeweils mehreren Zonen, die das Brandgeschehen bestimmenden Parameter wie Rauchgas- und Bauteiltemperaturen sowie Druckverteilungen und die daraus resultierenden Massenströme berechnet werden können. Bei einem Zonen-Modell bestehen die beiden betrachteten Schichten im Raum aus Luft und Rauchgasen, für die jeweils eine homogene Temperaturverteilung angenommen wird. Weitere Temperaturzonen bilden sich im Plumebereich (Plumetemperaturen), im Ceiling Jet (Gastemperaturen und -geschwindigkeiten) an den Öffnungen (Rauchgas- oder Luftströme) und in den Bauteilen (Bauteiltemperaturen) aus. Die Massen- und Energieströme werden für den Brandbereich (Fireplume) sowie getrennt für die beiden Schichten im Raum formuliert und im Programm iterativ berechnet. Auf der Abb. 2.2 ist ein Element des Modells mit unterschiedlichen Annahmen für den betreffenden Raum dargestellt. Dabei ist der Raum im Aufriss aus einer betrachteten Mehrraumgeometrie herausgeschnitten. Je nach Brandverlauf sind für die Berechnungen unterschiedliche Annahmen für die Rauch- und Temperaturverteilung zu treffen. Der Raum ist bei einem vorhandenen, beziehungsweise in der Ausbildung begriffenen Brand in zwei Gaskörper (Fälle 2 und 3) aufgeteilt. Sonst wird für jeden Raum eine einzige Schicht mit homogener Temperaturverteilung berücksichtigt (Fälle 1 und 4). Der eigentliche Flammenbereich wird gesondert behandelt, d. h. im Brandbereich werden lokale Temperaturen im Bereich Vorbeugender BRANDSCHUTZ 21

3 des Feuerplumes und des Ceiling Jets unterhalb der Decke basierend auf experimentell ermittelten Formeln berechnet. Je nach Ventilationsverhältnissen und Brandverlauf können in den einzelnen Räumen somit eine, zwei oder drei Zonen mit unterschiedlicher Temperatur vorliegen, womit das Brandgeschehen abgebildet wird. Man kann folgende Fälle unterscheiden (vergl. Abb. 2.2): Fall 1: Der Raum besteht aus einer einzigen kalten Schicht, die noch nicht verraucht ist. Das ist der Ausgangszustand für alle Räume. Er gilt solange, bis ein Zustrom von Brandrauch aus bereits verrauchten Räumen stattfindet. Fall 2a: Bei Brandbeginn bildet sich im Brandbereich zuerst der Plume aus. Der Raum besteht dabei solange aus einem heißen Plume sowie einer kalten Schicht über die gesamte Hallenhöhe, bis der betrachtete Bereich über dem Brandherd soweit erwärmt ist, dass sich ein Ceiling Jet ausbilden kann. Fall 2b: Ausgehend von Fall 2a breitet sich der Brand - rauch in Form eines so genannten Ceiling Jet aus. Dabei bildet sich eine Brandrauchfront mit variabler Schichthöhe, die mit der Zeit den gesamten Deckenbereich der Halle ausfüllt. Dabei werden für den oberen Teil des Plumes und dem Ceiling Jet die gleichen mittleren Temperaturen angenommen. Fall 3a: Der Brandbereich besteht aus einem heißem Plume und einer Brandrauchschicht, mit einer homogenen Mischtemperatur, sowie einer sich langsam erwärmenden unteren Schicht mit ebenfalls homogenen Temperaturen. Fall 3b: Bei diesem Raum fehlt der durch den Brand bedingte Plume. Durch Zustrom von Brandrauch aus bereits verrauchten Räumen hat sich ebenfalls eine Brandrauchschicht der Höhe z gebildet. Fall 4: Der Raum besteht nur aus einer verrauchten heißen Schicht. Dieses trifft dann zu, wenn die Brandfläche die gesamte Grundfläche des Raumes bedeckt (z. B. nach einem Flash-Over) oder sich die Brandrauchschicht über die gesamte Raumhöhe erstreckt. Vertikale Strömungen werden entsprechend den Temperaturdifferenzen gemäß den Auftriebsgesetzen berechnet, horizontale Strömungen werden als reibungsfreie Bernoulliströmungen behandelt. Im Bereich von Querschnittsänderungen werden die entsprechenden Druckverluste berücksichtigt. Beim Zusammentreffen von Strömungen werden geeignete Einmischmodelle (Entrainementmodelle) verwendet. Als unbekannte Größen gehen im Rechenmodell in den dargestellten Fällen 2 und 3 für jeden Raum i folgende physikalische Größen in die Berechnung ein: Gastemperatur der heißen Zone T g1,i Gastemperatur der warmen Zone T g2,i Temperaturen der Bauteile T w,i Höhe der Brandrauchschicht z i Druck am Fußboden p u,i Abb. 2.2: Typische Raumelemente bei einer Mehrraumbetrachtung mit MRFC mit unterschiedlicher Aufteilung des Brandrauches bzw. der Raumtemperaturen je nach Brandverlauf und Flammenausbildung Für die Berechnung der Decken-, Fußboden- und Wandtemperaturen T w,i muss raumweise für jedes Bauteil nach jedem Zeitschritt Δt die Fourier-Gleichung gelöst werden. Bei der Simulation wird mit Zeitschritten von ca. einer Sekunde gearbeitet. Mit diesen Unbekannten lassen sich alle Energie- und Massenströme in den betrachteten Raumbereichen, Brandabschnitten und im Brandbereich selbst bestimmen. Die Kopplung zwischen einzelnen Räumen bzw. Brandbereichen erfolgt dadurch, dass die Abflüsse aus den angekoppelten Räumen als Zuflüsse der vorgeschalteten Räume wieder in die Bilanz eingehen. Die Verbindung zwischen den Brandrauchschichten und den kalten Schichten wird über Einmischströme und somit über die Bilanz des Strömungsplumes hergestellt. Auch die Umgebung ist in diesem Sinne ein Raum, wobei es möglich ist, in MRFC gleichzeitig drei verschiedene Umgebungsbedingungen zu definieren. Zur Berechnung der Temperaturen und Massenströme stehen für jede Schicht eine Massen- und eine Energiebilanz sowie Druck- und Temperaturrandbedingungen zur Verfügung. Das entstehende umfangreiche Gleichungssystem wird mit einer 22

4 m Brandschutz modifizierten Powell-Hybrid Methode gelöst. Ausgehend von einem Startwert (alter Zustand) werden dabei die o. g. Unbekannten solange variiert, bis alle Gleichungen mit einer vorgegebenen Genauigkeit erfüllt sind. Räume im Sinne des Rechenprogramms können sein: Brandabschnitte, Brandbekämpfungsabschnitte, F 90- bzw. R 90-Bereiche baulich ausgebildete Räume, welche miteinander durch Öffnungen, Kanäle oder öffenbare Bauteile verbunden sind, Räume die durch Einbauten, Teilabtrennungen, Stellwände, Rauchschürzen, Unterzüge, gedachte Unterteilungen (virtuelle Raumbereiche) in lüftungstechnisch miteinander verbundene Raumbereiche bzw. Brandbereiche unterteilt werden können Verfügbarkeit und Verifikation des Codes MRFC ist ein kommerzieller Brandschutzcode der bei der Arbeitsgemeinschaft Brandschutz (AGB), Bruchsal/BRD und an der TU Wien entwickelt wurde. Er wird derzeit im Rahmen des Verein zur Förderung der Ingenieurmethoden im Brandschutz e. V, Holzminden (VIB) von 60 Ingenieurbüros, Universitäten, Industriepartnern und Behörden in Deutschland, Österreich und der Schweiz angewendet und ist über den VIB (www.vib-mrfc.de) erhältlich. Das Programm MRFC wurde im Rahmen von Brandversuchen an dem Materialprüfungsamt des Landes NRW, Erwitte, und bei Großversuchen der Forschungsstelle für Brandschutztechnik, Karlsruhe, überprüft bzw. kalibriert, sodass die Übertragbarkeit der theoretischen Ergebnisse gewährleistet ist. Ferner wurde der Code u. a. bei Brandversuchen im HDR-Containment des Kernforschungszentrums Karlsruhe [HDR1], anhand von Ergebnissen aus dem EUREKA-Projekt (Tunnelbrandversuche) und bei internationalen Rundversuchen des CIB WI4 verifiziert. Eine Beschreibung von MRFC findet sich in [MRF1]. Der Code wurde u. a. bei der Festlegung der neuen w-faktoren in DIN Teil 1 Baulicher Brandschutz im Industriebau und bei der Entwicklung der DIN Teil 2, Natürliche Rauchabzüge und Teil 5, Maschinelle Rauchabzüge, für die Ermittlung bzw. Überprüfung von Tabellenwerten herangezogen [DIN1]. In jüngster Zeit wurden Berechnungen im Zuge der Überprüfung von DIN Teil 1 zur Ermittlung von w-faktoren im Geschossbau durchgeführt und genormt Modell-Anwendungsgebiete MRFC prognostiziert physikalische Werte für den Brand - raum und für Bewegungen von Feuer und Rauch in einem oder bis 40 Räume oder Raumbereiche. Weiter lässt es die Berechnung von Temperaturen von Bauteilen in allen Bereichen zu. Das Ziel von MRFC ist es, praktische Probleme im Brandschutzengineering zu lösen wie: Temperatur- und Rauchverteilung in mehr - geschossigen Gebäuden und Hallen, Tragfähigkeit und Brandwiderstand von Bauteilen, Kapazität von Brandrauchentlüftungsanlagen (BRE, BRA), Beurteilung von Brandschutzmaßnahmen, Unterstützung von forensischen Untersuchungen, Forschung und Entwicklung von Tabellenwerten für Normen und Richtlinien. MRFC kann verwendet werden um die folgenden Effekte zu untersuchen: Transport von Wärme und Verbrennungsprodukten bei Naturbränden, radiative und konvektive Wärmeübertragung zwischen Gasen und festen Oberflächen, Pyrolyse von festen Materialien, Flammenausbreitung und Brandentwicklung in großen Betriebsstätten, Sprinkler-, Wärmemelder- oder Rauchmelderaktivierung, Brandunterdrückung durch Sprinkler, Temperaturen in Bauteilen und Rauchgasen, Rauchübertragung zwischen angrenzenden Räumen Modell-Ergebnisse Typische Ausgabegrößen für die Gasphase sind: Gastemperaturen Geschwindigkeitsprofile an Öffnungen Konzentrationen von Gasbestandteilen (H 2 O, CO 2, CO, N 2, O 2 ) Brandrauchkonzentration, optische Rauchdichte und Sichtweiten 1D- und 2D-Temperaturverteilungen in Bauteilen Wärmefreisetzungsrate pro Flächeneinheit Mischungsverhältnis bzw. Ventilationsfaktor (Luft/Brennstoff-Verhältnis) Massenflüsse durch Öffnungen Masse der Wassertröpfchen pro Volumseinheit bei Sprinklerung An festen Oberflächen berechnet MRFC zusätzliche Werte betreffend den Energieausgleich zwischen Rauchgas und der festen Phase. Diese sind: Temperaturen an der Oberfläche und im Inneren des Bauteils, radiativer und konvektiver Wärmestrom, Flammenausbreitung und Abbrandraten, Masse der Wassertröpfchen pro Flächeneinheit Spezielle Rechenergebnisse des Programms sind: zeitlicher Ablauf der Brandleistung (HRR), Aktivierungszeiten von Sprinklern und thermischen Detektoren, Massen- und Energieströme durch Öffnungen. Vorbeugender BRANDSCHUTZ 23

5 2.3 Praktische Anwendungen In der folgenden Tabelle 2.1 sind exemplarisch praktische Anwendungsfälle des Simulationsprogramms MRFC dargestellt, die im Laufe der letzten Jahre am Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz der TU Wien durchgeführt wurden Untersuchung der Rauch- und Wärmeabzugsanlagen einer Revisionshalle Die Aufgabenstellung umfasst die folgenden Punkte: Durchführung von numerischen Brandsimulationen, Nachweis der Wirksamkeit einer Rauch- und Wärmeabzugsanlage, Gutachterliche Bewertung. Die Untersuchung des Rauch- und Wärmeabzuges erfolgte für die einzelnen Brandabschnitte der Halle (Revisionshallen, Trockeneisreinigungshalle). Nicht berück - sichtigt wurden Brände in den angrenzenden Brandabschnitten der bestehenden Wagenhalle (Revisionshalle, Aufenthaltsräume, Garderoben, o. ä.) Bauliche Gegebenheiten, Beschreibung der Revisionshalle Betrachtet wurde der Zu- bzw. Umbau einer Wagenhalle (siehe Abbildung 2.3). Der neue Zubau beinhaltet mehrere Funktionen: Revisionsbereiche, Abstellbereiche, eine Waschhalle, eine Hochhebeanlage und eine Trockeneisreinigungshalle. Bei einer Gesamtlänge von ca. 113,25 m weist das Bauwerk unterschiedliche Breiten auf. Im Bereich der Halle Gleise 4/ 5 ist die Breite konstant 13,07 m und in der Trockeneisreinigungshalle konstant 6,3 m. In der Waschhalle beträgt die Breite zwischen 8,4 m und 9 m und in der Halle Gleis 6/ 7/ 8 verringert sich die Breite von 14 m über 22,5 m auf nur 1,4 m am westlichen Ende. Die neue Revisionshalle bietet auf einer Gesamtgrundfläche von ca ,4 m 2 die Anordnungsmöglichkeit für: 1 Gleis mit Revisionsgrube, verbunden mit einem Dachrevisionsstand, mit Hebemöglichkeit und Abstellplatz (Gleis 4) 1 Gleis mit Revisionsgrube, verbunden mit einem Dachrevisionsstand und einem Drehgestellwaschund Abstellplatz (Gleis 5) Tab. 2.1: Praktische Anwendungen des Simulationsprogramms MRFC am Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz der TU Wien (Auszug) 24 Projekt Gebäudeart Fragestellung Simulationsergebnisse Geschäftshaus 5-geschossig, massiv Entrauchung, Rauchverteilung, Evakuierung Schichtdicken, Evakuierungszeiten, Fluchtweglängen Verkaufsstätte 3-geschossig, massiv Brandschutzkonzept Rauchverteilung, (Entrauchung), Schichtdicken, Entfluchtungskonzept Rauchabschnittsbildung, Entfluchtungszeiten U-Bahnstation oberirdisches Brandgefahrenanalyse: Rauchverteilung, Stationsgebäude, Entrauchung, Schichtdicken, Einhausung in Bauteiltemperaturen Dimensionierung der Stahlleichtbau RWA, Brandwiderstand der Bauteile Park-&-Ride-Anlage offenes Parkdeck Auswirkungen von Bränden Temperaturbelastungen Stahlbauweise, in einer Park-&-Ride-Anlage an der Trogkonstruktion, Trogkonstruktion massiv auf die Trogkonstruktion Brandwiderstand der einer darüberliegenden Bauteile U-Bahntrasse Parkhaus offenes 5-geschossiges Notwendiger Temperaturbelastung der Parkdeck in Feuerwiderstand der Bauteile, Brandwider- Stahlverbundbauweise tragenden Konstruktion stand der Bauteile Laborgebäude 4-geschossig, massiv, Brandgefahrenanalyse: Rauchverteilung, Atrium, Stahl/Glas- Verrauchung im Luftraum Schichtdicken, Konstruktion zwischen Gebäude und der Temperaturen der vorgesetzten Glasfassade Rauchgase und bei einem Brand im -schichten Erdgeschoss

6 m Brandschutz 2 Gleise mit Revisionsgrube, Sandbefüllungsanlage und Abstellplatz (Gleis 6 und 7) 1 Waschgleis (Gleis 6, Waschhalle) für einen kompletten Wagenzug 1 Gleis mit Revisionsgrube und Abstellplatz (Gleis 8) 1 Gleis mit einer Trockeneisreinigung (Gleis 9) Die neue Revisionshalle ist in mehrere Brandabschnitte geteilt. Der größte Brandabschnitt umfasst eine Brandabschnittsfläche von m 2. Die Einfahrt in die Hallen erfolgt über 5,47 m hohe Türportale in ost westliche Richtung. Die lichte Raumhöhe über Schienenoberkante (SOK) unter der Dachhaut beträgt im Mittel ca. 6 m und im Bereich der Unterzüge 5,7 m Aufgabenstellung Ziel der Untersuchung ist die Erhebung, Entwicklung und Evaluierung von brandschutztechnischen Daten, die Aussagen liefern über die zu erwartenden Belastungen für die im Gebäude befindlichen Personen durch die Intensität der Verrauchung in der neuen Revisionshalle bei einem möglichen Brand. Anhand dieser Daten sollte die Wirksamkeit der bestehenden Rauchabzugsanlage nachgewiesen werden Bemessungsbrandszenarium für einen voll entwickelten Brand Ausgehend von einem durch technischen Defekt entstandenen Brand kann es mangels Überwachung im/am Fahrzeug zu einem vollen Brand kommen. Das bedeutet, dass sich der Brand frei im Inneren bzw. an der Außenseite ausbreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Brandes ist bei voll entwickelten Bränden in der Regel schnell, nach Literaturangaben [SC1 bis SC4] breitet sich ein solcher Brand im Extremfall mit 0,45 bis 1,0 m/min aus. Ausgehend von den bekannten Brandlasten lassen sich anhand der spezi - fischen Brandleistung der verwendeten Stoffe die zu erwartenden Brände berechnen. Auf Basis von Literaturangaben [SC1 bis SC4] ergeben sich spezifische Brandleis - tungen für die vorhandenen Stoffe von ca. 250 kw/m 2 bis 500 kw/m 2. Für das betrachtete Fahrzeug wurde eine gemittelte spezifische Brandleistung von 338 kw/m 2 ermittelt. Abb. 2.3: Grundriss der Revisionshalle Abb. 2.4: Schnitt 1-1 durch Neubau und Bestand der Revisionshalle Vorbeugender BRANDSCHUTZ 25

7 Aus den vorgehend angeführten Angaben und den bekannten geometrischen Daten des Fahrzeuges lässt sich die in der Abb. 2.5 dargestellten Brandleistungskurve für die Brandentwicklung und den anschließenden Vollbrand ableiten. Energie werden als finite Differenzen angenähert, und die Lösung wird zu diskreten Zeitschritten für ein dreidimensionales, kartesisches Rechengitter erhalten. Die thermische Strahlung wird mit einer finiten Volumentechnik auf dem gleichen Rechengitter wie der Gleichungslöser für die Strömung berechnet. Um Rauchbewegungen und Sprinklerungen zu simulieren, werden Lagrangian-Partikel benutzt. Abb. 2.5: Entwicklung der Brandleistung für einen voll entwickelten Brand im Fahrzeug Unter den ermittelten Rahmenbedingungen wird nach etwa 28 min eine maximale Brandleistung von 28,8 MW erreicht (siehe Abb. 2.5). Ab diesem Zeitpunkt wird unterstellt, dass das gesamte Fahrzeug in Vollbrand steht und stetig abbrennt. Bei vollständiger Umsetzung der Gesamtbrandlast des Fahrzeuges dauert der Brand theoretisch 125 min. In der Realität sind deutlich geringere Brenndauern zu erwarten, da die Brandlast in der Regel nicht vollständig umgesetzt wird bzw. nach 25 min bereits Löschmaßnahmen eingeleitet werden. Das hier entwickelte Brandszenarium berücksichtigt eine vergleichsweise kurze Brandentwicklungsphase von 10 min und unterstellt danach einen Übergang in den Vollbrand nach weiteren 10 min. Daraus ergeben sich konservative Rechenergebnisse. Die in der Abb. 2.5 angeführte Brandleistungskurve berücksichtigt keine Löschversuche durch die Passagiere oder einen möglicherweise früheren Löschangriff durch die Feuerwehr. Es wurde für die gutachterliche Bewertung allerdings ein Simulationszeitraum von 60 min angenommen. 3. CFD-Codes CFD-Codes sind rechnerische Strömungsdynamik-Modelle für brandgesteuerte Rauchgasströmungen. Das Modell löst numerisch die Navier-Stokes-Gleichungen, die für langsame, auftriebsgesteuerte Strömungen mit dem Schwerpunkt auf Rauch- und Wärmetransport von bei Bränden geeignet sind. Die partiellen Ableitungen der Erhaltungsgleichungen der Masse, des Impulses und der 3.1 Grundlagen Bei den rechnerischen Möglichkeiten der Untersuchung der gekoppelten Energieübertragung aufgrund von Leitung, Konvektion und Strahlung wurden in den letzten Jahrzehnten weitreichende Neuerungen erzielt. Neue Möglichkeiten bei der Lösung von komplexen Anwendungen - z. B. Brandszenarien - sind in CFD-Modellen verfügbar. CFD-Modelle sind ein effektives Werkzeug bei der Untersuchung von Fragestellungen hinsichtlich: lokale Oberflächentemperaturen Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder Gaskonzentrationen Wärmeflüsse Mit Hilfe der Anwendung von CFD-Modellen können Aussagen über die Anordnung und Dimensionierung von Sprinkleranlagen, Rauchmeldern, Brandrauchabsauganlagen und Brandrauchentlüftungsanlagen getroffen werden. Es können sicherheitsrelevante und wirtschaftliche Konstruktionen für die Dimensionierung von Anlagen in neuen und nachgerüsteten Gebäuden gefunden werden. Die Möglichkeit solch komplexe Systeme modellieren zu können, macht die Anwendung von CFD-Modellen zu sinnvollen und zuverlässigen Werkzeugen. Der Anwender muss jedoch eine Software wählen, die praktikabel und passend für die jeweilige Anwendung ist. Es sind verschiedene kommerzielle und nicht kommerzielle brandspezifische CFD-Codes wie TASCFlow, FLOW3D, PHOENICS, JASMINE, SOPHIE, SPARTA, STELA, FLUENT und FDS am Markt erhältlich. In dieser Arbeit sollen die dreidimensionalen CFD-Programme FDS, JASMINE und FLUENT untersucht werden. Nach einer kurzen Grundlagendarstellung zu diesem Thema erfolgt ein Vergleich von Messungen und Berechnungen mit dem CDF-Programm FDS. 3.2 FDS - Brandsimulationen Bei dem Simulationsprogramm FDS handelte es sich um ein CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics) für brandschutztechnische Untersuchungen, bei dem die Zustände im Brandraum und in den Folgeräumen durch Systeme von nichtlinearen, partiellen Differenzialgleichungen dargestellt werden. Die räumliche Darstellung des 26

8 m Brandschutz Gebäudes und der Brandobjekte erfolgt durch ein drei - dimensionales Gitterwerk in Zellgrößen von ca. 10 cm, d. h. bei größeren Gebäuden werden gegebenenfalls 10 6 oder mehr Zellen betrachtet. Der Rechenaufwand ist daher enorm, sodass die Durchführung einer Berechnung Tage bis Monate dauern kann. Das Programm FDS wurde vom National Institute of Standards and Technology, USA entwickelt und wird laufend erweitert. Eine detaillierte Beschreibung des Modells findet sich in [NIST01, NIST02], weitere Grundlagen für die Verwendung von CFD-Modellen für Brandschutzbetrachtungen finden sich in [SC2] und [SC3] Modell-Anwendungsgebiete von FDS Das Ziel des FDS-Codes ist, praktische Probleme des Brandschutzes zu lösen, während es gleichzeitig auch als Werkzeug für die Untersuchung von grundlegenden Effekten in der Branddynamik und bei Problemstellungen der Verbrennung verwendet wird. FDS kann benutzt werden um die folgenden Phänomene zu modellieren: Transport von Wärme und Verbrennungsprodukten bei Naturbränden, radiative und konvektive Wärmeübertragung zwischen Gas und festen Oberflächen, Pyrolyse von festen Materialien, Flüssigkeitsbrände, Flammenausbreitung und Brandentwicklung, Sprinkler-, Wärmemelder- oder Rauchmelder - aktivierung, Brandunterdrückung durch Sprinkler. Obwohl FDS speziell für Brandsimulationen bestimmt war, kann es ebenso für andere Simulationen von lang - samen Flüssigkeitsströmungen benutzt werden die nicht notwendigerweise Brandphänomene oder thermische Effekte einschließen. Bis jetzt waren beim IHT jedoch mehr als die Hälfte der Anwendungen des Modells Studien für die Auslegung von Rauch- und Wärmeabzugsanlagen und die Sprink ler- /Detektoraktivierung. Die andere Hälfte besteht aus Simulationen von Bränden in Wohn- und Industriegebäuden Modell-Ergebnisse nach FDS FDS berechnet die Temperatur, die Dichte, den Druck, die Geschwindigkeiten und die chemische Zusammensetzung innerhalb jeder Gitterzelle zu jedem diskreten Zeitschritt. Üblicherweise werden dabei mehrere hunderttausende bis zu mehrere Millionen Gitterzellen und bis zu hunderttausende von Zeitschritten berechnet. Zusätzlich bestimmt FDS auf festen Oberflächen die Temperaturen, Wärmeströme, Pyrolyseraten und verschiedene andere Werte. Der Anwender muss sorgfältig auswählen, welche Datenfiles gespeichert und später ausgewertet werden sollen. Obwohl nur ein kleiner Anteil der berechneten Informationen gespeichert werden kann, weisen die Ausgabefiles relativ große Datenmengen auf. Typische Ausgabewerte für die Gasphase beinhalten: lokale Gastemperaturen lokale Gasgeschwindigkeiten lokale Konzentrationen von Gasbestandteilen (H 2 O, CO 2, CO, N 2 ) lokale Brandrauchkonzentration und Sichtweiten lokale Drücke Wärmefreisetzungsrate pro Flächeneinheit der Brandfläche Mischungsverhältnis (oder Luft/Brennstoff- Verhältnis) Gasdichte Masse der Wassertröpfchen pro Volumseinheit An festen Oberflächen berechnet FDS zusätzliche Werte betreffend den Energieausgleich zwischen Rauchgas und der festen Phase. Diese sind: Temperaturen an der Oberfläche und im Inneren des Feststoffes, radiativer und konvektiver Wärmestrom, Abbrandraten, Masse der Wassertröpfchen pro Flächeneinheit. Globale oder lokale Rechenergebnisse des Programms sind: gesamte Wärmefreisetzungsrate (HRR), Aktivierungszeiten von Sprinklern und Detektoren, Masse- und Energieflüsse durch Öffnungen oder Feststoffe. Zeitbilanzen von verschiedenen Werten an einem einzelnen Punkt im Raum oder globale Werte wie die Wärme - freisetzungsrate (HRR) werden in einfachen Textfiles gespeichert, die mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms weiter bearbeitet werden können. Die meisten Feld- oder Oberflächendaten werden jedoch mit einem Postprozessor mit dem Namen Smokeview, einem Werkzeug das speziell dafür entwickelt wurde um Daten, die mit FDS erzeugt wurden, zu analysieren, visualisiert. Smokeview führt diese Visualisierung durch indem es ani - mierte Ströme von Indikatorpartikeln, animierte Umrisse von berechneten Gasvariablen in Schnitten und animierte Oberflächendaten darstellt. Smokeview kann auch verwendet werden um Formen und Vektorplots von stationären Daten zu einer festgelegten Zeit darzustellen. 3.3 Praktische Anwendung In der folgenden Tab. 3.1 sind exemplarisch praktische Anwendungsfälle des Simulationsprogramms FDS dargestellt die im Laufe der letzten Jahre am Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz der TU Wien durchgeführt wurden. Vorbeugender BRANDSCHUTZ 27

9 Projekt Gebäudeart Fragestellung Simulationsergebnisse Park-&-Ride-Anlage offenes Parkdeck, Auswirkungen von Bränden Temperaturbelastungen Stahlbauweise, in einer Park-&-Ride-Anlage an der Trogkonstruktion, Trogkonstruktion massiv auf die Trogkonstruktion Brandwiderstand der einer U-Bahntrasse Bauteile U-Bahn-Zug 111 m langer 4-teiliger Überlegungen zur Erhöhung Rauchverteilung, Schicht- U-Bahn-Zug in Alu- der Brandsicherheit, Brand- dicken, Beitrag brennbarer minium-stahlbauweise ausbreitung, Bremseffekte Verkleidungselemente zum Brandgeschehen Schallschutz- Einhausung einer Auto- Thermische Untersuchung Bauteiltemperaturen, eindeckungen bahn in Leichtbauweise transparenter und transluzenter Beitrag brennbarer Konstruktionselemente für Bauteile zum Brand- Schallschutzeindeckungen geschehen, Branddauer Tab. 3.1: Praktische Anwendungen des Simulationsprogramms FDS am Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz der TU Wien (Auszug) Auswirkungen von Bränden in einer Park-&-Ride-Anlage auf die Tragstruktur Untersuchungsumfang Es wurden die folgenden Untersuchungen durchgeführt: Festlegung von relevanten Brandszenarien anhand der geplanten Geometrie und der vorhandenen Brandlasten gemäß der Nutzung. Entwicklung von Simulationsmodellen für die Untersuchung einer Brandsituation an einer Stütze und im Bereich unter dem Trog. Durchführung von numerischen Simulationen zur Abschätzung der erwarteten Temperaturbelastungen der Betonbauteile bei den vorgenannten Brandsituationen. Erstellung eines Untersuchungsberichtes Untersuchungsgegenstand Untersuchungsgegenstand ist die neu zu errichtende Park- &-Ride-Anlage. Diese Park-&-Ride-Anlage ist als ein offenes Parkdeck unter und neben einer U-Bahntrasse in Form einer Rampengarage geplant. Das Parkdeck weist eine Länge von ca. 137 m und Breite von maximal 52 m auf. Das Niveau der Garage erstreckt sich vom umgebenden Straßenniveau bis auf eine Höhe von +8,70 m (Niveau der FOK der obersten Parkflächen) über der Umgebung. Die Raumhöhen in den Parkebenen betragen ca. 2,6 m. Das Parkdeck verläuft teilweise unter der Trogkonstruktion der U-Bahntrasse. Die Stützen des Troges durchdringen das Parkdeck (siehe Abb. 3.1). Unmittelbar neben den Stützen der U-Bahntrasse befinden sich innerhalb des Parkdecks die vorgesehenen Parkplätze. Im Bereich der Achse B2/20 unterschneidet die Park-&- Ride-Anlage den Trog in einem relativ geringen Abstand (Trog ca. 1,5 m über OK Parkfläche). Die Abb. 3.2 zeigt schematisch die Unterschneidungssituation auf dem Niveau +8,70 m zwischen den Achsen C-D und c-d. Abb. 3.1: Schematischer Schnitt durch die P&R-Anlage Abb. 3.2: Unterschneidungssituation auf Niveau +8,70 m zwischen den Achsen C-D und c-d Relevante Brandszenarien Gemäß der Nutzung des Gebäudes als Park-&-Ride-Anlage ist von einem PKW-Brand auszugehen. Aufgrund der Dimensionen der Anlage (hier vor allem die geringen Durchfahrtshöhen) muss nicht davon ausgegangen werden, dass es zu einem LKW-Brand kommen kann. Die relevanten Brandszenarien wurden in Anlehnung an die Richtlinie für offene Parkdecks vom Mai 2003 des österreichischen Stahlbauverbandes und anhand von Literaturwerten festgelegt. Auf der Basis der ermittelten Daten lassen sich zwei bemessungsrelevante Brandszenarien ableiten. Die beiden Brandszenarien berücksichtigen u. a. 28

10 m Brandschutz den zeitlichen Verlauf eines PKW-Brandes und den Übertritt des Brandes auf einen bzw. zwei benachbarte PKW im Nahbereich. Brandszenarium 1: Brand von zwei PKW (Abb. 3.3, Kurve rot, Karosymbol) Brandszenarium 2: Brand von drei PKW (Abb. 3.3, Kurve blau, Dreieckssymbol) Unter Zugrundelegung der in der Richtlinie für offene Parkdecks des österreichischen Stahlbauverbandes angegebenen Brandleistungskurven und dem angegebenen zeitlichen Verlauf, lassen sich die in der Abb. 3.3 dargestellten Brandleistungskurven angeben. Abb. 3.4: Schematische Darstellung der Unter - suc hungssituation für die Ermittlung der Brandbelastungen auf die Stützen in einem Parkgeschoss beim Brand von drei PKW Abb. 3.3: Brandleistungskurven der beiden bemessungsrelevanten Brandszenarien Die Brandflächen der bemessungsrelevanten Brandszenarien wurden entsprechend der Anordnung und den PKW- Grundflächen gemäß Tab. 3.2 festgelegt. Brandherdgröße *) Brandszenarium Länge [m] Breite [m] Fläche [m 2 ] 1 (2 PKW) 4,00 4, (3 PKW) 6,00 4,00 24 *) kumulierte Brandherdgrößen, pro PKW wird eine Brandfläche (projizierte Grundrissfläche) von 8 m 2 unterstellt Tab. 3.2: Brandflächen der bemessungsrelevanten Brandszenarien Brand im Geschoss in Stützennähe In der folgenden Abb. 3.4 ist schematisch das Untersuchungsszenarium für die Ermittlung der Brandbelastung auf die Stützen des U-Bahnbauwerkes bei einem Brand in einem Parkgeschoss (Untersuchungsfall 1) dargestellt. Aufgrund der geometrischen Dimensionen ist es vorstellbar, dass es in diesem Bereich zu einem Brand von bis zu drei PKW kommen kann. Die PKW werden nicht zeitgleich gezündet, sondern brennen entsprechend einem sequentiellen Abbrand gemäß Abb. 3.3 ab. Abb. 3.5: Visualisierung mit FDS-Smokeview einer instationären Berechnung mit FDS für drei brennende PKW in einem Parkdeck Mittels des Brandsimulationscodes FDS wurden im Bereich des betrachteten Geschosses transiente Berechnungen durchgeführt. Dabei wurde als Bemessungsbrandszenarium das beschriebene Brandszenarium mit dem zeitversetzten Abbrand von drei PKW verwendet. Die Abb. 3.5 zeigt schematisch das Simulationsmodell mit den drei PKW. Das Modell wurde in Zellgrößen von 10 cm diskretisiert (Gesamtzellanzahl ). Neben den allgemeinen Auswertungen wurden im Speziellen an den Stützen die bei der Simulation ermittelten Temperaturen lokal ausgegeben. Vorbeugender BRANDSCHUTZ 29

11 Dafür wurden Messbäume verwendet, an denen in 0,2 bis 2,6 m Höhe über dem Fußboden in Abständen von 0,2 m die Temperaturen berechnet wurden Eigenschaften von CFD- und Zonenmodellen In der nachstehenden Tab. 3.3 werden einige prinzipielle Eigenschaften von Zonen- und Feldmodellen unter dem Gesichtspunkt des Brandschutzingenieurwesens untereinander verglichen. Den Brandsimulationsmodellen liegen grundsätzlich die technischen und wissenschaftlichen Erkenntnisse über Strömungsmechanik und Thermodynamik zugrunde. Diese sind somit, unter der Annahme der allgemeinen Gültigkeit der Theorien, in weiten Bereichen frei skalierbar und anwendbar. Die Grenzen der heute angewendeten CFD-Modelle liegen im Wesentlichen bei den auf analytischen Lösungen basierenden Modellansätzen für die Flammenberechnung, Turbulenzbetrachtung und Verbrennungsansätze. Reine CFD-Strömungsmodelle sind für brandschutztechnische Berechnungen grundsätzlich nur bedingt geeignet, weil darin die Simulation des Brandes im Allgemeinen nicht umfassend dargestellt ist, d. h. es fehlt z. B. die Verbrennungskinetik oder Strahlungsberechnung in den theoretischen Ansätzen. Eigenschaft Zonenmodell 1) Feldmodelle Geometrieerfassung angenähert exakt Lüftungserfassung angenähert exakt Heat source angenähert exakt 4) Modellaufwand gering sehr hoch Aussagen global 2) lokal Verifizierung aufwändig sehr aufwändig Plausibilitätskontrolle einfach aufwändig Dimensionsabhängigkeit nicht gegeben 3) sehr hoch 5) Genauigkeit der sehr begrenzt exakte Lösung lokalen Aussagen (analytisch ange- bei näherte Lösungen) Konvergenz Rechenzeit gering sehr hoch Kosten des Einsatzes gering sehr hoch 1) am Beispiel MRFC (Multi-Room-Fire-Code, VIB) 2) für gewisse Bereiche (z. B. Plumebereich, Öffnungen) auch lokal möglich 3) innerhalb der definierten Modellgrenzen 4) nur bei wenigen CFD-Codes möglich, z. B. Sofie, FDS, Phoenix 5) Rechenaufwand steigt exponentiell mit der Zellenanzahl Tab. 3.3: Grundsätzliche Eigenschaften von CFDund Zonenmodellen Aufgrund der Unterschiede in den physikalischen Ansätzen ist die Aussagefähigkeit von Zonen- und CFD-Modellen unterschiedlich, d. h. der Umfang der berechneten Größen weicht stark voneinander ab. Die Tab. 3.4 zeigt in einer Übersicht die Unterschiede für verschiedene Fragestellungen. Der jeweils erforderliche Aufwand ist aufgrund praktischer Erfahrungen grob abgeschätzt und angegeben. Aus der Tab. 3.4 geht hervor, dass die Zonenmodelle für lokale Aussagen bedingt geeignet sind. Im Vergleich zu den CFD-Modellen liegen die Vorteile dieser Modelle in der Schnelligkeit bei der Durchführung von Berechnungen (Bereich einige Minuten), wo hingegen CFD-Modelle in der Regel für eine Simulation mehrere Tage ggf. Wochen benötigen. Fragestellungen Zonenmodell 1) CFD-Modelle 2) Verbrennungs- ja, ja rechnung näherungsweise (einfache Stoffe) lokale Temperaturen ja durch Formeln ja im Plumebereich für den Plumebereich lokale Temperaturen ja, nur im ja Ceiling-Jet und in Bauteilen Verrauchung ja, angenähert ja durch Zonierung lokale angenähert im ja Strömungsfelder Plumebereich, an Öffnungen nach Bernoulli komplexe Geometrien ja, angenähert ja Mehrraummodelle ja ja, sehr aufwändig Bauteiltemperaturen ja ja Parameterstudien leicht sehr durchführbar aufwändig 1) am Beispiel MRFC - gilt teilweise für einfache Zonenmodelle nicht 2) am Beispiel Sofie - gilt nicht für angepasste CFD-Strömungsmodelle Tab. 3.4: Aussagefähigkeit bzw. Berechnungsgrößen von Zonen- und Feldmodellen Die Gitterabstände bei CDF-Modellen liegen bei 10 cm, im Idealfall sollten sie im Millimeterbereich liegen. Dieses kommt für Brandschutzberechnungen praktisch nicht in Frage. Bei größeren Gitterabständen ergeben sich im Bereich der Flammen und Öffnungen Fehler in der Berechnung der Temperatur-, Gaskonzentrations- und Strömungsfelder, deren Größenordnung nicht direkt erkennbar ist, d. h. man ist auf vorliegende Erfahrungen angewiesen. Bei der Anwendung von CFD-Codes genügt es nicht nur den Brandraum zu modellieren, sondern das Strömungsraster muss auch die Umgebung erfassen, d. h. die Umgebung von Öffnungen usw. ist etwa bis 10 m Entfernung ebenfalls mit einem Gitterraster zu beschreiben. Damit steigt nicht nur die Zellenanzahl, sondern auch die Rechenzeit enorm an. Die Lösung erfolgt in Zeitschritten von ca. 0,01 Sekunden und ist numerisch sehr aufwändig. Die im Folgenden angegebenen Parameter haben Einflüsse auf die Genauigkeit von Berechnungen mit Zonenund Feldmodellen: 30

12 m Brandschutz Anwender, Anwendererfahrungen (praktisch der größte Einfluss!) Eingabe des Abbrandes, Feuerplumes und der Brandausbreitung Berechnung der Energieverteilung (Absorption, Konvektion) Zonenabmessungen pro Zone (Zonenmodell: 20 bis 60 m; 3600 m 2 ) Randwerte der Umgebung (Temperatur, Druck, Strömung) Gitterabmessungen (Zone: 4 60 m, CFD: 20 cm) Zeitschritte (Zone: 10 s, CFD: 0.01 s) Art des Turbulenzmodells (nur CFD) Art des Abbrandmodells (nur CFD) Art des Strahlungsmodells über die möglichen Fehler die im Rahmen der Bedienung des Werkzeuges gemacht werden können wie beispielsweise die Anwendungsgrenzen von physikalischen Modellen, oder die Sensitivität der Werkzeuge auf verschiedene Modellierungsparameter, über die Relevanz der aus der Modellierung gewonnenen Daten im Hinblick auf die Übertragbarkeit auf reale Geometrien und Situationen. Bei der Anwendung von komplexen Simulationsmodellen ist Vorsicht geboten, da bei den Simulationen kleine Änderungen der Randbedingungen (geometrische, strömungstechnische, usw.) oftmals ganz andere Ergebnisse ergeben. In diesem Zusammenhang sind Parameterstudien gefragt, die eine eingehende Untersuchung der einzelnen Einflussgrößen und deren Interaktionen ermöglichen. 4. Ausblick und Zusammenfassung Die existierenden Simulationsverfahren für das Brandschutzingenieurwesen haben einen weiten Anwendungsbereich in der täglichen Ingenieurspraxis. Ein sinnvoller Einsatz solcher Methoden ist immer dann gegeben, wenn eine entsprechende komplexe Fragestellung vorliegt, mit normativen Bemessungsverfahren bzw. Anforderungen nicht mehr das Auslangen gefunden wird, spezielle Brandrisiken (Tunnel, Bahnhöfe, U-Bahn etc.) zu beurteilen sind zu geringe Brandschutzerfahrungen über die zu beurteilenden Brandschutzfragen vorliegen. Alternativ zu den Simulationen können Experimente in der Regel im Maßstab 1:1 durchgeführt werden. Werden Simulationsverfahren für Bemessungszwecke eingesetzt, so ist zu beachten, dass jedes Modell bestimmte Anwendungsgrenzen aufweist, die von Seiten des Anwenders erkannt und eingehalten werden müssen. Die Kompetenz der am Designprozess beteiligten Personen umfasst somit nicht nur die Fähigkeit das Modell handwerklich perfekt zu bedienen, sondern in weit höherem Maße das Wissen ein brandschutztechnisches Prob - lem physikalisch richtig in das Modell zu übertragen und zu untersuchen. Gerade diese Modellierung verlangt ein Höchstmaß an Wissen über die grundlegenden Zusam - menhänge beim Brand. Dies umfasst unter anderem Kenntnisse über die einem Brand zugrundeliegenden physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten und über die daraus resultierenden Phänomene, über die Implementierung dieser Gesetzmäßigkeiten in ein Werkzeug, entweder in Form einer Software oder eines physikalischen Modells (Brandversuch), über die Anwendungsgrenzen des Werkzeuges, Der Einsatz von Simulationsverfahren im Brandschutzingenieurwesen bietet folgende grundlegende Vorteile: Simulationsverfahren stellen eine kostengünstige Möglichkeit dar, brandschutztechnische Fragestellung auf einer breiten Basis zu untersuchen und für die Begründung von Abweichungen von geltenden Vorschriften die entsprechenden quantitativen Nachweise durchzuführen. Durch den Einsatz von Parameterstudien können brandschutztechnisch optimale Kosten-Nutzen-Lösungen gefunden werden. Simulationsverfahren liefern deterministische Aussagen, die auf naturwissenschaftlichen Grundlagen basieren. In Forschung und Praxis können vereinfachte Regelwerke (Brandschutznormen) durch solche Verfahren entwickelt und validiert werden. Für einen verantwortungsvollen Umgang mit Simulations - modellen müssen jedoch auch die Nachteile solcher Modelle von Seiten der Anwender erkannt und berücksichtigt werden. Die Nachteile sind: Bei allen Simulationsverfahren handelt es sich um Modelle, d. h. die Realität wird nur angenähert wiedergegeben. Plausibilitätskontrollen (inhaltliche) setzen sowohl beim Anwender solcher Verfahren als auch bei prüfenden Stellen (z. B. Behörden) einen großen Wissensstand vo - raus. Letztendlich bestimmen die Eingaben immer das Ergebnis, d. h. garbage in - garbage out, die Anwendung solcher Verfahren setzt bei den Benutzern vertiefte Brandschutzkenntnisse voraus. Bei der Anwendung von Simulationsverfahren ist es unerlässlich, die erzielten Ergebnisse vollständig zu dokumentieren und nachvollziehbar zu interpretieren und auf Plausibilität zu untersuchen, um den Behördenvertretern deren Überprüfung im Genehmigungsverfahren zu ermöglichen. Die Dokumentation hat demnach mindestens folgende Punkte zu umfassen: Vorbeugender BRANDSCHUTZ 31

13 Beschreibung des verwendeten Modells (immer Kurzfassung mit Referenz auf ein allgemein und frei verfügbares Referenzhandbuch), Beschreibung und Dokumentation der wesentlichen Randbedingungen (Geometrie, Lüftung, Brandszenarium), vollständige Dokumentation der Eingangsparameter, Dokumentation und Interpretation der Ergebnisse (schöne bunte Bilder oder Filme alleine reichen nicht aus). Abschließend ist festzuhalten: Simulationsverfahren stellen wirksame Werkzeuge dar, mit denen sicherheitstechnisch und ökonomisch ausgewogene und maßgeschneiderte Brandschutzlösungen möglich sind. Grundvoraussetzungen dafür sind neben vertieften Kenntnissen im Brandschutzingenieurwesen ein verantwortungsvoller Einsatz der Modelle auf Seiten der Anwender. [SC5] [SC6] [SCM1] [DIN1] Schneider, U.; Horvath, J.: Brandschutzpraxis in Tunnelbauten, 1. Auflage, Bauwerk Verlag GmbH, Berlin, Juni 2006 Schneider U.: Praktische Modelle zur Berechnung von Feuer und Rauch in Gebäuden. Zeitschrift vfdb, Heft 4, S. 175/182, Verlag Kohlhammer GmbH, Stuttgart, 1993 Max, U.; Schneider, U.: Grundlagen und Verfahren zur Validierung von Rechenprogrammen für die Brandsimulation. ABG-Abschlussbericht BMVBW, Bruchsal, Nov Autorenkollektiv: Baulicher Brandschutz in Industriebau-Kommentar zur DIN , 3. Auflage, Beuth Verlag GmbH, Berlin, Literaturverzeichnis [MAX1] Max, U.: Zur Berechnung der Ausbreitung von Feuer und Rauch in komplexen Gebäuden. Dissertation GhK, Kassel, 1990 [MRF1] Max, U.; Lebeda, C.: MRFC Version 3.1: Ins - tallation und Kurzreferenz des Simulationsprogramms MRFC (Multi-Room-Fire-Code). Arbeitsgemeinschaft Brandsicherheit AGB, Wien/Bruchsal, 2006 [NIST01] NIST Special Publication 1018; Fire Dynamics Simulator (Version 4) Technical Reference Guide; Kevin McGrattan, Editor; September 2005 [NIST02] Kevin McGrattan, Glenn Forney; NIST Spe - cial Publication 1019; Fire Dynamics Simulator (Version 4) User s Guide; September 2005 [SC1] [SC2] Schneider, U.; Franssen, J.-M.; Lebeda C.: Baulicher Brandschutz. 2. Auflage, Bauwerk Verlag GmbH., Berlin, Schneider, U. et. al.: Ingenieurmethoden im Baulichen Brandschutz. Kontakt & Studium Band 531; Renningen: expert verlag, 5. Auflage, Autoren o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dr. h. c. Ulrich Schneider: Dipl.-Ing. für Wärme- und Verfahrenstechnik; Dr. techn. und Dr.-Ing.habil. für Bauwesen; o. Univ.-Prof. für Baustofflehre, Fakultät Bauingenieurwesen TU Wien, Vorstand des Instituts für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz; seit 1974 Mitarbeiter bzw. Obmann nationaler und internationaler Normen-Ausschüsse; Sachverständiger für Brandschutz i. A. d. Reg. Österreich und Deutschland, NRW, Hessen. Mitglied der RSK, Deutschland. Vorsitzender des VIB, Deutschland. Leiter des Brandschutz- Lehrganges an der Arch+Ing Akademie, Österreich. Karls - platz 13/206, A-1040 Wien. Dipl.-Ing. Hubert Kirchberger: Dipl.-Ing. für Bauwesen der TU Wien, 2002 bis 2005 wissenschaftlicher Mitarbeiter, 2005 bis 2006 Projektassis - tent, ab 2006 Univ.-Ass. am Institut für Hochbau und Technologie, Zentrum für Baustoffforschung, Werkstofftechnik und Brandschutz der TU Wien in der Arbeitsgruppe Brandschutz. Arbeitsgebiete: Brandsimulation, Bauteilberechnungen, Evakuierungsmodelle. Karlsplatz 13/206-1, A-1040 Wien. [SC3] [SC4] Schneider, U.: Grundlagen der Ingenieurmethoden im Brandschutz, 1. Auflage, Werner Verlag GmbH, Düsseldorf, 2002 (2. Auflage, 2009, erscheint demnächst) Schneider, U.; Lebeda, C.: Bewertung des Abbrandverhaltens von Stoffen und Lagergütern. VdS-Vortrag, AGB Bruchsal und TU Wien,

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