Bemessung einer RDA am Beispiel eines Hochhauses in der Schweiz

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1 Bemessung einer RDA am Beispiel eines Hochhauses in der Schweiz Welche Möglichkeiten stehen heute zur Verfügung Dipl.-Tech. HF E. Niederhauser, Aicher, De Martin, Zweng AG, Luzern; / Version 1.0 dipl. HLK-Ing. HTL D. Burkhardt, Aicher, De Martin, Zweng AG, Luzern Inhalt Einleitung Rechtliche Grundlage für RDA in der Schweiz Vorarbeiten für die Bemessung Die Bemessung Anforderungen erfüllt? Der Nachweis Grundlagen für Ausschreibung Zusammenfassung Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 1

2 Einleitung Einleitung 24 Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 2

3 Einleitung Die Schweiz ist im Bezug auf Hochhäuser ein Entwicklungsland. Zwischenzeitlich sind viele Hochhausprojekte in der Planung und/oder Realisierung. Im Jahr 2005 wurde in der Schweiz neue Brandschutzvorschriften eingeführt. Rechtliche Grundlage für RDA in der Schweiz Bis in das Jahr 2004 wurde in der Schweiz eine Lüftung (Schleusenlüftung) der Schleuse gefordert (teilweise mit Kantonalen Abweichungen). Mit dem erscheinen der neue Richtlinien im Jahr 2005, konnte eine bessere Definition in Zusammenarbeit mit dem SWKI gefunden werden. Dazu Absatz 4.3.1, aus VKF-BSR 22-03/d Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 3

4 Rechtliche Grundlage für RDA in der Schweiz Mit diesen Grundlagen und den gültigen Normen können RDA Anlagen für Hochhäuser ausgelegt und bemessen werden. In der Schweiz wird dazu üblicherweise die SN EN Festlegungen für Differenzdrucksysteme Bausätze, Ausgabe , hinzugezogen. Über diese Norm wollen wir uns an dieser Stelle nicht weiter unterhalten. Projekt X Definieren der Anforderungen mit Behörden (objektspezifisch) Grundlagen zu Gebäude zusammen tragen mit beteiligten Planern Basis für Bemessung (Nachweis) Bemessung mit Simulations programm Optimierungen in die Planung aufnehmen Ja Sind die Anforderungen erfüllt? Nein Opt. baulich möglich? Nein Ja Nachweis erbracht Grundlage für Ausschreibung Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 4

5 Projekt X Definieren der Anforderungen mit Behörden (objektspezifisch) Grundlagen zu Gebäude zusammen tragen mit beteiligten Planern Basis für Bemessung (Nachweis) Bemessung mit Simulations programm Optimierungen in die Planung aufnehmen Ja Sind die Anforderungen erfüllt? Nein Opt. baulich möglich? Nein Ja Nachweis erbracht Grundlage für Ausschreibung Vorarbeiten für die Bemessung Mit den zuständigen Behörden und dem Bauherren sind die folgenden Punkte zu definieren : Die Schutzziele sind festzuhalten Abweichungen zu den aktuellen Normen sind festzuhalten und darzustellen Möglichkeiten und Grenzen der RDA-Systeme sind aufzuzeigen Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 5

6 Vorarbeiten für die Bemessung Welche Grundlagen zu Gebäude müssen für die Bemessung einer RDA vorhanden sein: Einflüsse einer RDA auf das Gebäude sind abzuschätzen Vorhandene gebäudetechnischen Ausrüstungen Ausgestaltung der Abströmungen und deren Lage Weg von Fluchttreppenraum zu Abströmung Grössen und Art der Türen Ausgestaltung des Fluchttreppenraumes Einblasstellen der Zuluft im Fluchttreppenraum Fassung der Aussenluft für die RDA Die Bemessung Mit einer Handbemessung kann die Nachweisführung der geforderten Schutzziele nicht einfach gemacht werden. Sind projektspezifische Schutzziele für ein Winter- oder Sommerfall nachzuweisen, wird es mittels einer Handmethode äusserst schwierig, wenn nicht unmöglich. Mit Simulationsprogrammen können komplexe Zusammenhänge einfacher und verständlicher aufgezeigt und nachgewiesen werden. Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 6

7 Die Bemessung Das Projekt: Die Bemessung Das Projekt, Regelgeschoss: TK 2 TK 1 TK 3 Retour TK1 Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 7

8 Vorarbeiten für die Bemessung Was war in diesem Projekt nachzuweisen: Klasse D, nach SN EN , unter anderem; 0.75m/s bei offener Ausgangstüre ins Freie im Brandgeschoss 100N Türöffnungskräfte Können die Schutzziele mit der bisher geplanten Anlage eingehalten werden Die notwendigen Abströmflächen Bei Unterschiedlichen Aussenbedingungen: 1. Isotherm (innen und aussen gleiche Temperaturen), 2. Sommer (aussen warm, innen kalt) 3. Winter (innen warm, aussen kalt) Die Bemessung Der Aufbau eines Modells, hier am Beispiel des Untergeschosses: Grundrisse darstellen TK 2 Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 8

9 Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Räume sind zu definieren Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 9

10 Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Räume sind zu definieren Die Leckagen und Leckagenwege sind zu definieren Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Räume sind zu definieren Die Leckagen und Leckagenwege sind zu definieren Anlagentechnische Infrastruktur ist zu definieren Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 10

11 Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Räume sind zu definieren Die Leckagen und Leckagenwege sind zu definieren Anlagentechnische Infrastruktur ist zu definieren Zudem sind nun noch die Fassaden, Wände, Steigzonenabschlüsse, Abschottungen etc. festzulegen Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Räume sind zu definieren Die Leckagen und Leckagenwege sind zu definieren Anlagentechnische Infrastruktur ist zu definieren Zudem sind nun noch die Fassaden, Wände, Steigzonenabschlüsse, Abschottungen etc. festzulegen Die vertikalen Raumbeziehungen sind zu definieren Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 11

12 Die Bemessung Der Aufbau eines Modells: Grundrisse darstellen Die geschützten Bereiche sind zu definieren Die Räume sind zu definieren Die Leckagen und Leckagenwege sind zu definieren Anlagentechnische Infrastruktur ist zu definieren Zudem sind nun noch die Fassaden, Wände, Steigzonenabschlüsse, Abschottungen etc. festzulegen Die vertikalen Raumbeziehungen sind zu definieren Mit dem Abschluss dieser Arbeiten ist das Modell erstellt. Anforderungen erfüllt? Anhanden des nun erstellen Modells sind die verschiedenen Fälle nach SN EN für die Nachweisführung durchzuspielen, und auf die Übereinstimmung mit den zu Beginn der Arbeiten definierten Schutzzielen hin zu überprüfen. Auf ein einfach Darstellung der Resultate ist zu achten. Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 12

13 Der Nachweis Die Resultate können am einfachsten und aussagekräftigsten mit einem Diagramm (z.b. vertikaler Druckverlauf) dargestellt werden. Nicht sehr übersichtlich Übersichtliche Darstellung Der Nachweis Sommer / Kriterium Druckunterschied (alle Türen zu) / TK 2+3 Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 13

14 Der Nachweis Sommer / Kriterium Druckunterschied (Ausgang offen) / TK 2+3 Der Nachweis Sommer / Kriterium Luftgeschwindigkeit (BG 34.OG ) / TK 2+3 Brandgeschoss, w=0.72m/s Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 14

15 Der Nachweis Winter / Kriterium Druckunterschied (alle Türen zu) / TK 2+3 Der Nachweis Winter / Kriterium Druckunterschied (Ausgang offen) / TK 2+3 Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 15

16 Der Nachweis Winter / Kriterium Luftgeschwindigkeit (BG 4.OG ) / TK 2+3 Brandgeschoss, w=1.4 m/s Der Nachweis Konsequenzen aus den Resultaten für dieses Objekt, Schutzziele sind objektspezifisch anzupassen: Die Türöffnungskräfte steigen über 100N, die zulässigen Türöffnungskräfte sind auf <133N festzulegen. Dabei ist auch der minimal zulässige Druck im Treppenraum von 50Pa, auf >20Pa abzusenken Baulich: Die Zuluftschächte für die RDA mussten auf eine einheitliche Grösse angepasst werden Divers: Spezifische Anforderungen an den Systemlieferanten sind in der Ausschreibung festzuhalten Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 16

17 Grundlagen für Ausschreibung Diese Grundlagen und Erkenntnisse sind nun entsprechend genau zu dokumentieren, damit die Bauteile und die Anforderungen an das RDA System in der Realisierung auch entsprechend umgesetzt werden können. Es empfiehlt sich auch, diese Dokumente von den Architekten / Behörden und/oder dem Sachverständigen zu unterzeichnen. Zusammenfassung Erkenntnis aus den Arbeiten: Mit dem Beizug von Simulationsmodellen werden auch die vertikalen Luftausbreitungen wie z.b. über Aufzugsschächte sichtbar Eine Beurteilung für den Sommer und Winterfall wird möglich Ungewohnte Strömungsfälle können sichtbar gemacht werden Wenn in Vorräumen (Schleusen) Aufzüge vorhanden sind, können ungewohnte Drucksituationen auftreten (z.b. Unterdruck zum Nutzbereich) Kern TK1 Über die Lifte können die angrenzenden Schleusen in der oberen Geschossen gegenüber dem Fluchttreppenraum im Überdruck sein. Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 17

18 Zusammenfassung Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Der Nachweis Winter / Kriterium Druckunterschied (alle Türen zu) / TK 1 Plan Zurück Emanuel Niederhauser/David Burkhardt 18

19 Bemessung einer RDA am Beispiel eines Hochhauses in der Schweiz Welche Möglichkeiten stehen heute zur Verfügung Dipl.-Tech. HF E. Niederhauser, Aicher, De Martin, Zweng AG, Luzern; dipl. HLK-Ing. HTL D. Burkhardt, Aicher, De Martin, Zweng AG, Luzern Kurzfassung Die Bemessung einer Rauchschutz-Druckanlage (RDA) ist eine integrale Aufgabe. Zu einem frühen Zeitpunkt, sind viele Grundlagen eines Bauwerkes zusammenzutragen, damit eine seriöse Bemessung möglich ist. Mit Simulationsprogrammen besteht heute die Möglichkeit, auch die Schutzziele für den Sommer- und Winterfall frühzeitig nachzuweisen. Dies ermöglicht eine hohe Planungssicherheit für alle beteiligten Parteien und führt dazu, dass die Qualität gesteigert und dem Projekt entsprechende Schutzziele definiert werden können. 1. Einleitung Aus der nachstehenden Statistik geht hervor, dass die Schweiz in Sachen Hochhäuser beinahe den Status eines Entwicklungslandes hat. Die Gründe dafür sind sicher vielfältig und werden an dieser Stelle auch nicht weiter ausgeführt. In den letzten Jahren ist aber der Trend zu hohen Häuser auch in der Schweiz angekommen [1]. In vielen Schweizer Städten sind zwischenzeitlich Hochhäuser in der Planungs- und Realisierungsphase. Rang Stadt Land Anzahl 1 Hong Kong China 7,649 2 New York City USA 5,864 3 São Paulo Brasilien 5,595 4 Singapore Singapore 4,180 5 Seoul Südkorea 2,875 6 Tokyo Japan 2,683 7 Rio de Janeiro Brasilien 2,426 8 Istanbul Türkei 2, Berlin Deutschland Frankfurt am Main Deutschland Wien Österreich Basel Schweiz Zürich Schweiz 24 Tabelle 1: Hochhausstatistik, Rang 1-8 siehe [1], für D/A/CH siehe [3], Häuser über 40m

20 Dieser Effekt und die Einführung neuer Brandschutzvorschriften [4] im Jahr 2005, führten nun zu einem gewissen Wissensnotstand im Bezug auf die qualifizierte und neutrale Planung von anspruchsvollen Hochhausprojekten im Bereich von Rauchschutz-Druckanlagen (RDA). Parallel zu der Einführung und Bearbeitung der neuen Brandschutzvorschriften wurden im Schweizerischen Verein von Gebäudetechnik-Ingenieuren (SWKI) die Arbeiten für die Richtlinienreihe Rauch- und Wärmeabzugsanlagen [5] aufgenommen. Dies führte dann auch zum einem Wissensaustausch zwischen diesen beiden Gremien. 2. Rechtliche Grundlage für RDA in der Schweiz Bis in das Jahr 2004 wurde für Hochhäuser in der Schweiz eine Lüftung der Schleuse gefordert (teilweise noch mit kantonalen Abweichungen) [6]. In den neuen Richtlinien konnte eine wesentlich bessere Lösung für die bisherige Definition, in Zusammenarbeit mit dem SWKI, gefunden werden. Auszug aus der aktuellen VKF Brandschutzrichtlinie Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (22-03d, Absatz 4.3.1) 1 Sicherheitstreppenhäuser mit Schleusen müssen für die Rauchfreihaltung ausreichend mechanisch belüftet sein. 2 Die Druckverhältnisse sind so zu bemessen, dass im Treppenhaus ein höherer Überdruck als in der Schleuse vorhanden ist. Mit dieser Definition können unter Anlehnung an die gültigen Normen wie SN EN Festlegungen für Differenzdrucksysteme Bausätze [7], oder der TRVB S 112 Druckbelüftungsanlagen (DBA) [8], Hochhäuser bemessen und ausgelegt werden. 3. Vorarbeiten für die Bemessung In Zusammenarbeit mit den beteiligten Planern sind die Einflüsse einer RDA auf das Gebäude und die geplanten gebäudetechnischen Ausrüstungen rechtzeitig zu suchen, und entsprechend festzuhalten. Die objektspezifischen Schutzziele sind in Zusammenarbeit mit den zuständigen Behörden zu definieren, und die allfälligen Abweichungen zu den Normen sind festzuhalten. Dabei ist es wichtig, dass die Möglichkeiten und Grenzen der RDA-Systeme offen und transparent dargestellt werden. Nur so können die Grundlagen für ein funktionierendes System, für alle Beteiligten zufriedenstellend festgehalten und in der nachfolgenden Planung und Realisierung umgesetzt werden. Dies ist einer der wichtigsten Teile der Bemessung, denn hier werden die Grundsteine für ein zuverlässiges und funktionierendes System gelegt.

21 Projekt X Definieren der Anforderungen mit Behörden (objektspezifisch) Grundlagen zu Gebäude zusammentragen mit beteiligten Planern Kap. 3 Basis für Bemessung (Nachweis) Kap. 4 Bemessung mit Simulationsprogramm Optimierungen in die Planung aufnehmen Ja Kap. 5 Sind die Anforderungen erfüllt? Nein Kap. 5 Optimierung baulich möglich? Nein Ja Kap. 6 Nachweis erbracht Kap. 7 Grundlage für Ausschreibung Bild 1: Beispiel eines empfohlenen Projektablaufes In einem nächsten Schritt wird in der objektspezifischen Bemessung der RDA überprüft (Nachweis), ob die vereinbarten Schutzziele eingehalten werden können.

22 4. Die Bemessung Aus unseren Erfahrungen kann mit einer Handbemessung einer RDA der Nachweis zur Einhaltung der geforderten Schutzziele nicht einfach gemacht werden. Sobald auch noch die projektspezifischen Schutzziele für einen Winter- oder Sommerfall nachzuweisen sind, wird es mittels einer Handmethode äußerst schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Ein Simulationsprogramm kann hier sicher entsprechende Unterstützung bieten, und komplexe Zusammenhänge einfacher und verständlicher aufzeigen. Wir verwenden für solche Berechnungen das Programm Contam [9]. In einem ersten Schritt sind alle relevanten Räume, die in einem Zusammenhang mit der Luftbewegung einer RDA stehen, zu erfassen. Dies erfordert je nach Gebäude und dessen Ausdehnung mehr oder weniger Zeit. Dabei ist auch zu berücksichtigen, welche Bereiche mittels der RDA zu schützen sind und in welchem Bereich ein Schutz (mittels Druck und Volumenstrom) nicht erforderlich oder auch nicht möglich ist (keine Abströmungen vorhanden). Korridor_4 (siehe Bild 3) Leckagen Wege Treppenraum RDA System Bild 2: Grundriss eines Gebäudes im Simulationsmodell Nachdem die Räume im Modell erstellt wurden, sind die jeweiligen Leckagenbeziehungen zwischen den einzelnen Räumen zu definieren. Damit dies auch wirklich gelingt, ist eine gute Vorabklärung zum Gebäude und den vorgesehenen Bauteile (Türen, Tore, Wände, Steigzonenabschlüsse, Lifte, Abschottungen etc.) zwingend notwendig (siehe auch Kap. 3).

23 Diese Grundlagen sind entsprechend genau zu dokumentieren, damit die Bauteile in der Realisierung auch entsprechend eingesetzt werden können. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit besteht auch darin, nicht nur die horizontalen, sondern auch die vertikalen Leckagen zu modellieren und in die richtige räumliche Beziehung zu bringen. Anschließend an diesen Teil der Arbeit sind die Leckagen in der Gebäudehülle zu definieren und festzulegen. Bild 3: Auszug aus dem Programmfile Ist das Simulationsmodell erstellt, so können die entsprechend zu prüfenden Fälle und Szenarien durchgerechnet werden. In den meisten Fällen wird schnell ersichtlich, ob der Nachweis der geforderten objektspezifischen Schutzziele möglich ist oder nicht.

24 5. Anforderungen erfüllt? Die Resultate sind so darzustellen, dass eine einfache Interpretation möglich ist. Dies kann in Form von Tabellen oder mittels entsprechenden Diagrammen erfolgen. Aus dem Simulationsprogramm können z.b. vertikale Druckverläufe als Resultatfiles erstellt werden (Shaft Report). Für den Nachweis ist es sinnvoll, die vorgegebenen Fälle aus der SN EN beizuziehen, da dadurch Missverständnisse am einfachsten beseitigt werden können. Bild 4: Schutzziele Klasse D nach SN EN [7] Somit sind für die drei möglichen Kriterien (nach Bild 4) der Fall; 1. Isotherm (innen und außen gleiche Temperaturen), 2. Sommer (außen warm, innen kalt) und 3. Winter (innen warm, außen kalt) darzustellen und auf die Übereinstimmung mit den vereinbarten Schutzzielen zu überprüfen. Im hier verwendeten Beispiel, wurde in Zusammenarbeit mit den Behörden und dem Sachverständigen nach der erfolgten Simulation (Nachweis) festgelegt, dass der minimal zu garantierende Druck (bei Kriterium alle Türen zu ) im Treppenraum, zu Gunsten von zu hohen Türöffnungskräften, mit 20 Pa einzuhalten ist. Dies auch darum, weil am Objekt durch bauliche Optimierungen keine wesentlichen Verbesserungen der ermittelten Resultate zu erwarten waren.

25 6. Der Nachweis? Nachfolgend die Resultate aus der Simulation vom entsprechenden Gebäude. Bild 5: Beispiel Resultat Sommer, Kriterium Druckunterscheid (alle Türen zu) Brandgeschoss 0.75 m/s eingehalten Bild 6: Beispiel Resultat Sommer, Kriterium Luftgeschwindigkeit

26 Brandgeschoss 0.75m/s eingehalten Bild 7: Beispiel Resultat Winter, Kriterium Luftgeschwindigkeit Anhand dieser Resultate und den Grundlagen zu der Simulation können dann die Ausschreibungsunterlagen erstellt werden. 7. Grundlagen für Ausschreibung Es ist sinnvoll, in einer Ausschreibung diese Grundlagen nun aufzunehmen. Dies gibt einerseits dem Systemlieferanten die Garantie, dass die Abnahmebedingungen für alle klar und frühzeitig definiert sind. Anderseits kann er die Anforderungen an das zu offerierende System besser abschätzen. Dabei ist es aber wichtig, dass die Grundlagen für die Bemessung der Anlage für alle Beteiligten transparent und offen zur Verfügung stehen (Empfehlung: diese Dokumente sind durch die Planungsbeteiligten zu unterzeichnen). Dies vor allem in Bezug auf die baulichen angenommenen Grundlagen. Gibt es nämlich in der Realisierung des Gebäudes Abweichungen dazu, besteht die Gefahr, dass der Systemlieferant mit der RDA die geforderten Parameter nicht mehr einhalten kann (z. B. größere Leckagenflächen, Abweichungen der Treppenraumkonstruktion etc.) und somit die objektspezifischen Schutzziele am Bauwerk nicht nachzuweisen sind.

27 8. Zusammenfassung Bemessungen von RDA können heute mittels Simulationsprogrammen projektspezifisch durchgeführt werden. Damit ist eine hohe Planungssicherheit zu einem frühen Zeitpunkt, vor der Realisierung möglich. Mit diesem Mittel können Anlagen optimiert, Abströmungen besser definiert und Schutzziele objektspezifisch vereinbart und allenfalls auch optimiert werden. Quellennachweis [1] Helvetischer Höhenrausch, Die Schweiz erlebt das Comeback der Hochhäuser [2] [3] [4] [5] [6] Brandschutzvorschriften VKF , Absatz [7] Norm SN EN : «Rauch- und Wärmefreihaltung Teil 6: Festlegungen für Differenzdrucksysteme Bausätze»; Ausgabe [8] Österreichischer Bundesfeuerwehrverband: Technische Richtlinie Vorbeugender Brandschutz, TRVB S 112: «Druckbelüftungsanlagen (DBA)»; Ausgabe 2004 [9] National Institute of Standards and Technology (NIST), Building and Fire Research Laboratory (BFRL): «ContamW», Version 2.4c, 6. Oktober 2008; «ContamX», Version 2.4c, 18. September 2008