Man unterscheidet in numerische

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1 Sonderdruck aus Heft 8 (2005) Die Rauchfreihaltung von Fluchtund Rettungswegen ist ein bedeutendes Ziel des vorbeugenden Brandschutzes. In komplexen Räumlichkeiten werden die hierzu erforderlichen Maßnahmen mittels so genannter ingenieurmäßiger Methoden des Brandschutzwesens erarbeitet. Die verwendeten Methoden müssen in der Lage sein, die Rauchausbreitung im Brandfall, also einen Strömungsvorgang, mit der für die Beurteilung von Sicherheitsaspekten notwendigen Genauigkeit darzustellen. H.-J. Gerhardt, B. Konrath, J. Schönwald, Aachen Man unterscheidet in numerische und physikalische Modellierung der Rauchausbreitung. Über die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren liegen in der Literatur mittlerweile zahlreiche und umfangreiche Informationen vor [1; 2; 3]. Die in der Literatur zum Teil sehr konträren Meinungen haben bei den Baubehörden und Branddirektionen zu einer gewissen Verunsicherung geführt. Nicht zuletzt hierdurch bedingt wurden und werden in zunehmendem Maß Abnahmeversuche vorgeschrieben. Allerdings weichen die Brandsimulationen dieser Abnahmeversuche häufig extrem von den Bemessungsbränden, auf deren Basis die Entrauchungsmaßnahmen ausgelegt wur- Autoren Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Gerhardt, Geschäftsführer der I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH, Institut an der Fachhochschule Aachen. Dipl.-Ing. Bernd Konrath, Prokurist, Leiter der notifizierten Prüfstelle am I.F.I. Dipl.-Ing. Jürgen Schönwald, Projektingenieur am I.F.I. Entrauchung Brandsimulation für Abnahmeversuche den, ab. Ein Fehlschlagen der Abnahmeversuche muss daher nicht gleichzusetzen sein mit unzureichenden Entrauchungsmaßnahmen. Vielmehr ist eine kritische Wertung der Ergebnisse der Abnahmeversuche erforderlich. Diese ließe sich unter Berücksichtigung der Ähnlichkeitsgesetzmäßigkeiten der Strömungsmechanik durchführen, wenn hinreichend viele Messergebnisse, z.b. der Strömungsgeschwindigkeiten oder Lufttemperaturen, vorliegen. Eine bessere Möglichkeit ergibt sich hier bei realitätsnaher Simulation der Brandgeschehen. Die vorliegende Veröffentlichung stellt drei unterschiedliche Simulationsmethoden vor und diskutiert ihre Anwendungsmöglichkeiten. vfdb-grundsätze für Rauchversuche in Gebäuden Zusammenfassung der Grundsätze Der technische Bericht der vfdb (= Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.v.) Grundsätze für Rauchversuche in Gebäuden gibt Hinweise zur Zielsetzung von Rauchversuchen in Gebäuden, diskutiert die Aussagekraft und Extrapolation der Resultate von Rauchversuchen sowie die Durchführung und Auswertung von Rauchversuchen in Gebäuden und gibt Hinweise zu Rauchversuchen mit kaltem Rauch und präsentiert schließlich eine Zusammenstellung von Grundsätzen für Rauchversuche in Gebäuden, siehe Tabelle 1. Es werden drei Stufen von Rauchversuchen mit den Zielsetzungen? allgemeine Bewertung des Strömungsverhaltens im Gebäude,? Test von MRA und qualitative Beurteilung zur Wirkungsweise des Entrauchungssystems bei NRA und? quantitative Untersuchung der Wirksamkeit vor allem natürlicher Rauchabzugsanlagen unterschieden. Der wesentliche Unterschied bei Rauchversuchen entsprechend dieser drei Stufen ist die Wärmefreisetzung. Stufe 1 behandelt Rauchversuche ohne bzw. mit geringer thermischer Unterstützung ( Q = kw), Stufe 2 Rauchversuche mit bzw. mäßiger thermischer Unterstützung (100 bis 300 kw). Für die Stufe 3 wird keine Wärmefreisetzung angegeben. Allerdings wird hier gefordert, dass versuchsbegleitend eine Vorrechnung mit einem experimentell auf die Methode validierten Brandsimulationsprogramm vorausgeht, um die zu erwartenden, mit den gemessenen Werten vergleichen zu können. Die Aussagekraft der unterschiedlichen Rauchversuche wird beschrieben, Hinweise zu den notwendigen Versuchseinrichtungen und zur gewünschten Dokumentation gegeben. Bewertung Die Sinnhaftigkeit von Rauchversuchen in Gebäuden ohne realitätsnahe Simulation der Wärmefreisetzung muss bezweifelt werden. Der Antrieb für die Rauchströmung ist die temperaturbedingte (= aerostatische) Druckdifferenz zwischen kühler Umgebungsluft und heißem Brandgas. Diese Druckdifferenz wird benötigt, um die Druckverluste bei der Rauchableitung aus dem Brandraum und der Zuströmung von Außenluft zum Brandraum zu kompensieren. Treten keine weiteren Einwirkkräfte auf die Entrauchungs- und Zuluftströmung auf, lassen sich durch die Versuche gemäß Stufe 3 quantitative Aussagen zur Entrauchungswirksamkeit unter Nutzung der strömungstechnischen Ähnlichkeitsbeziehungen machen. Falls jedoch zusätzlich äußere Einwirkungen das Entrauchungsgeschehen beeinflussen, ist auch die Stufe 3, ebenso wie die Stufen 1 und 2 der vfdb-grundsätze, ungeeignet, die Entrauchungswirksamkeit zu beurteilen. Äußere Einwirkungen ergeben sich durch? windbedingte Druckdifferenzen zwischen Zuluft- und Entrauchungsöffnungen und/oder? thermikbedingte (= aerostatische) Druckdifferenzen infolge Temperaturunterschied zwischen Außenluft und Raumluft. Auf mögliche Wind- und Temperatureinflüsse wurde in [4] hingewiesen. Außer von der Geometrie des Brandraums

2 Stufe Zielstellung Mögliche Aussagen Geräte Versuchsansatz 1 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. 2 2 Test von MA und qualitative Beurteilung zur Wirkungsweise des Entrauchungssystems bei NA; eventuell in Bezug zu raumlufttechnischen Anlagen; Es können mehrere Szenarien nachgestaltet werden. 3 3 Quantitative Untersuchung der Wirksamkeit vor allem natürlicher Rauchabzugsanlagen; 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; Experimentelle Überprüfung des Ausströmverhaltens der Rauchschutzanlage auf der Grundlage des Rauchschutzkonzeptes. In diesem Fall sollte der Windeinfl uss berücksichtigt werden. Im Ergebnis des Versuches können erforderliche Veränderungen an der Anlage nachgewiesen und begründet werden. Aerosolgenerator (Rauchmaschine) mit geringer 1 thermischer Unterstützung oder unter Nutzung des gebäudeeigenen Strömungsverhaltens; Aerosolgenerator mit festlegbarem Abgangsvolumenstrom ohne verfälschendem vertikalen Impuls; mäßige 1 Wärmequelle für MA und NA; Aufgabe von Rauchmengen, die dem jeweiligen Bemessungsbrand als Funktion der Zeit entsprechen; 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 Enstehungsbrandes zu simulieren. Die Extrapolation auf größere Wärmefreisetzungsraten ist möglich. Dokumentation Messungen: Strömungsmessungen können Aufschluss über Ein- bzw. Ausströmraten als Funktion der Innen- und Außentemperatur geben; Temperaturmessungen; Messung: zugeführter Rauchvolumenstrom Abgangstemperatur Wärmefreisetzung Temperatur an den Einströmöffnungen; Volumenstrom bei MA; Messungen: wie 2, zuzüglich Messung der Strömung an den Öffnungen; Wind und Außentemperatur; Ausführliche Dokumentation erforderlich; Bemerkungen Ersteller des Brandschutzkonzeptes und Prüfer lt. Technischer Prüf- bzw. Hausprüfverordnung einbeziehen; wie oben; Windlasten sind mit dieser Versuchsanordnung nicht kompensierbar, deswegen müssen die außenklimatischen Bedingungen bei der Versuchsauswertung berücksichtigt werden; Ersteller des Brandschutzkonzeptes und Prüfer lt. Technischer Prüf- bzw. Hausprüfverordnung einbeziehen; Abstimmung des Versuchsansatzes mit dem Brandschutzgutachter, dem Bauherrn und mit den Behörden. 1 Geringe thermische Unterstützung: KW. Mäßige thermische Unterstützung: kw. 2 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. 3 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 meist keine Angaben zu den Abstromvolumina bezogen auf die im Gebäude vorhandenen Rauchabzugsöffnungen vorliegen. Tabelle 1 Zusammenstellung von Grundsätzen für Rauchversuche in Gebäuden (entnommen vfdb 3/2001) kann das Entrauchungsgeschehen maßgeblich vom Winddruck und der Außentemperatur bestimmt werden. Eine physikalisch fundierte Aussage über die Wirksamkeit von Entrauchungsmaßnahmen auf der Grundlage der in den vfdb-grundsätzen beschriebenen Rauchversuche ist dann nicht gegeben. Die Autoren des vorliegenden Berichtes warnen ausdrücklich davor, Entrauchungsmaßnahmen auf der Basis von Rauchversuchen ohne oder mit nur geringer thermischer Unterstützung zu bewerten. Rauchversuche sollten grundsätzlich die Realität möglichst nah simulieren. Grenzen ergeben sich hier jedoch dadurch, dass durch die Rauchversuche keine Schäden hervorgerufen werden sollten. Dies macht unter Umständen den Einsatz von Brandsimulationen mit geringeren Wärmeleistungen, als sie in der Realität zu erwarten sind, notwendig. Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) bereitet zurzeit eine Richtlinie zu Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit vor. Der Entwurf zu VDI 6019, Blatt 1 (September 2004) befindet sich in der Bild 1 Vorrichtung mit geringer Wärmefreisetzung bei einer Brandsimulation in einer Industriehalle

3 Bild 2 Grundmodul der Simulationsvorrichtung mit 2 Brennern ( = 220 kw) Q max Bild 3 Simulationsvorrichtung, bestehend aus 5 Modulen ( Q max = 1,0 MW und ABr = 2,5 m 2 Einspruchsphase. In diesem Entwurf werden wesentlich detailliertere Angaben zu Rauchversuchen und geeigneten Brandsimulationsvorrichtungen gemacht. Realitätsnahe Brandsimulationen Brandsimulation mit geringer Wärmeleistung Die Rauchentstehung eines realen Brandes wird mit dem I.F.I. Rauchgenerator simuliert. Die Anlage kann zur Simulation von Brandereignissen mit geringen Wärmeleistungen genutzt werden, wobei die Rauchfreisetzung rückstandsfrei und ohne große Wärmeentwicklung geschieht. Da die Wärmeentwicklung durch den eingebauten Heizstrahler so gering ist, dass handelsübliche Sprinklerauslösemechanismen nicht reagieren, eignet sich diese Einrichtung besonders z.b. für die Simulation von Bürobränden. Dabei spielt aufgrund der kompakten Bauweise der Anlage der Einrichtungszustand des zu untersuchenden Gebäudes keine Rolle. Der Rauchgenerator besteht aus einer Mischkammer, in der im unteren Bereich ein gasbetriebener Heizstrahler mit einer Brennerleistung Q B = 3,5 kw eingebaut ist. Der Mischkammer wird seitlich zur Verbesserung des Auftriebsverhaltens Helium zugemischt. Der Heliumvolumenstrom und die Rauchgasmenge kann dem jeweiligen, zu simulierenden Brandgeschehen angepasst werden. Der maximale Heliumvolumenstrom beträgt V He = 90 l/min = 1, m 3 /s. Die Wirkung dieses Heliumvolumenstroms entspricht einer Wärmefreisetzung Q He = 0,5 kw. Berücksichtigt man, dass ein Teil der Brennerleistung in Strahlungswärme umgesetzt wird, so ergibt sich bei voller Leistung des Rauchgenerators eine Auftriebsströmung entsprechend einer konvektiven Wärmefreisetzung Q kon = 3,2 kw. Zur Sichtbarmachung der Rauchströmung wird dem Luft/Helium-Gemisch in der Mischkammer ein Nebelfluid zugefügt. Oberhalb der Austrittsebene der Mischkammer befinden sich Turbulenzgeneratoren, die infolge einer zusätzlichen Verwirbelung des aufsteigenden Rauchgasgemisches, die Umgebungsluft in den Rauchgas-Plume einmischen. Anwendungsbeispiel Bild 1 zeigt die Vorrichtung bei einer Brandsimulation in einer Industriehalle. Man erkennt, dass der simulierte Plume in guter Näherung einem Brand-Plume entspricht. Der Plume-Flankenwinkel beträgt etwa 12 ; die für diesen Anwendungsfall entwickelten Turbulenzgeneratoren führen zur Bildung großer Turbulenzballen, wie sie in realen Brand- Auftriebsstrahlen typisch sind. Brandsimulation mit einer Wärmefreisetzung bis Q = 1,2 MW Die Wärmefreisetzung eines realen Brandgeschehens wird bei dieser Brandsimulationsvorrichtung [5] durch Flüs- Bild 4 Wärmefreisetzung/ Zeit-Verlauf einer typischen Brandsimulation in einem Atrium

4 Bild 5 Rauchgasschichtung im Dachbereich des ca. 40 m hohen Atriums siggasbrenner bewirkt. Durch Regelung des Brenngasvolumenstroms kann die Wärmefreisetzung eines jeden Brenners eingestellt werden. Bild 2 zeigt eine Einheit mit 2 Brennern ( Q max = 250 kw). Die Brandausbreitung kann durch das Hinzuschalten weiterer Brenner realitätsnah simuliert werden. Bild 3 zeigt die Brandvorrichtung zur Simulation eines 1,0-MW-Brandes bei einer Brandfläche A B = 2,5 m 2. Der ohne Regelung der einzelnen Brenner erreichte zeitliche Verlauf der Wärmefreisetzung ergibt eine Stufenfunktion. Durch zusätzliches Regeln der einzelnen Brenner lässt sich die zeitliche Abhängigkeit der Wärmefreisetzung eines realen Brandes nahezu identisch nachstellen. Um das Durchschlagen der Brennerflammen in größere Höhen zu vermeiden und eine auf die Brandfläche bezogene gleichmäßige Wärmefreisetzung sicher zu stellen, sind über den Brennern Prallplatten angebracht, siehe Bild 2, welche die Einmischung von Raumluft in den Heißgas-Plume verstärken. Zur Sichtbarmachung der Warmluftströmung wird entweder dem Plume ein Nebelfluid eingesprüht oder der in den Plume seitlich zuströmenden Raumluft beigemischt. Die Höhe der Nebelfluidbeimischung wird so gewählt, dass das Nebelfluid nicht beim Einmischen in den Heißgas-Plume verdampft. Anwendungsbeispiele Die Brandsimulationsvorrichtung wurde zur Überprüfung der Wirksamkeit der NRA-Anlage eines Atriums mit einer Höhe h At = 30 m eingesetzt, siehe Bild 3. Es wurden neun Flüssiggasbrenner mit einer maximalen Wärmefreiset- Bild 6 Einzelbrenner zur Simulation hochenergetischer Brände ( Q = 0,7 MW) Bild 7 Sichtbarmachung des Brandgas-Plumes durch Abbrennen von Rauchpulver Bild 8 Simulation eines Pkw- Vollbrandes mit dem I.F.I.-Brand-Pkw

5 Q max zung = 1 MW verwendet. Bei Aktivierung aller Brenner betrug die simulierte Brandfläche A B = 2,5 m 2. Bei einer weiteren Anwendung wurde ein Brandgeschehen in einem dreiecksförmigen Atrium (h At = 40 m, A At = m 2 ) simuliert. Die Brenner wurden in sieben Gruppen hintereinander eingeschaltet. Bild 4 zeigt die mit der zuständigen Branddirektion abgestimmte Q / t-kur- ve und die mittels der Brandsimulationsvorrichtung eingestellte Stufenfunktion. Das Nebelfluid wurde, ähnlich dem Versuch in Bild 3, im Bereich der seitlichen Plume-Berandung in 3,5 m Höhe zugeführt. Die ordnungsgemäße NRA- und Zuluftaktivierung und die erwartete Temperaturschichtung mit einem klar erkennbaren Rauchgaspolster im Deckenbereich konnte nachgewiesen werden. Bild 5 zeigt eine typische Aufnahme des Rauchgas- Plumes. Der vergleichsweise schwache Kontrast zwischen simuliertem Rauchgas und rauchfreier Hallenluft ist durch die Blickrichtung schräg gegen das Glasdach bedingt. Am Versuchstag war der Himmel wolkenlos. Ein besonderer Vorzug der Brandsimulationsvorrichtung, der auch beim Abnahmeversuch in dem 40 m hohen Atrium zum Tragen kam, ist die einfache Einstellung eines nahezu beliebigen Brand/Zeit- Verlaufes. Auf Wunsch der zuständigen Branddirektion konnte statt des zuvor vereinbarten 1-MW-Feuers, siehe Bild 4, problemlos ein Feuer mit einer maximalen Wärmefreisetzung Q max = 220 KW nachgestellt werden, wobei lediglich die ersten beiden Brenner gezündet wurden. Simulation großer Brände Für Realbrandsimulationen mit größeren Brandlasten wurden spezielle Gasbrenner mit Einzelbrandleistungen von bis zu 2,4 MW entwickelt. In Bild 6 ist ein Einzelbrenner mit einer Wärmefreisetzung von ca. 700 kw abgebildet, der bei einer Kaltverrauchung eines Autobahntunnels mit Einzelfeuernachbildung eingesetzt wurde. Bei Straßentunnelversuchen wird vielfach eine Realbrandsimulation bis zu 8 MW gewünscht. Dies lässt sich durch den Betrieb mehrerer Brenner erreichen. Durch die räumliche Anordnung und die zeitliche Einschaltfolge können wachsende Brände realitätsnah simuliert werden. Da bei solch großen Brandlasten Temperaturen bis zu 640 C an der Tunneldecke entstehen, ist zur Durchführung der Brandversuche häufig ein spezieller Wärmeschutz der Tunneldecke und der technischen Einrichtungen erforderlich. Aufgrund der hohen Temperaturen muss dabei die Sichtbarmachung des Brandgas-Plumes mit Nebel durch echten partikelhaltigen Rauch ersetzt werden, siehe Bild 7. Der hier verwendete weiße Rauch führt nur zu geringen Niederschlägen an der Tunneloberfläche und bleibt auch bei höheren Temperaturen stabil. Um nicht nur die Wärmemenge und Rauchausbreitung, sondern auch den Flammenaustritt aus dem Fahrzeug realistisch nachzubilden, wurde von I.F.I. ein Fahrzeug mit den oben beschriebenen Gasbrennern ausgestattet. Bild 8 zeigt die Simulation eines Fahrzeugvollbrandes. Anwendungsbeispiele Bild 9 Simulation eines Pkw-Brandes in der LTU-Arena, Düsseldorf Im Rahmen der vom I.F.I. durchgeführten strömungs- und wärmetechnischen Abnahmeversuche für die vierte Elbtunnelröhre in Hamburg, siehe [6], wurde auch die entrauchungstechnische Effektivität überprüft. Mit der Vorrichtung in Bild 7 wurde das Brandgeschehen von zwei Pkw mit einer Wärmefreisetzung Q = 7,2 MW und einer Brandfläche von ca. 6 m 2 realitätsnah simuliert. Zur Messung der zeitlichen Entwicklung der Temperaturverteilung wurden über eine Strecke von 180 m schnell reagierende Temperaturmesssysteme an der Decke des Entrauchungskanals angebracht und die Temperaturen während der Versuchsbrände aufgezeichnet. Zur raschen Einleitung der vorgesehenen Brandschutzmaßnahmen ist eine schnelle Branderkennung wichtig. Die durchgeführten Brandversuche ermöglichten die Bestimmung der Branderkennungszeiten, z.b. bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der fahrzeug- oder windbedingten Tunnellängsströmung. Auch für Multifunktionsarenen sind Fahrzeugbrände durchaus bemessungsrelevant. Man geht dabei davon aus, dass im Rahmen von Großveranstaltungen, z.b. Konzerten, Kraftfahrzeuge im Innenraum geparkt werden. Bild 9 zeigt einen Abnahmeversuch mit dem I.F.I.- Brand-Pkw in der LTU-Arena in Düsseldorf. Es wurde die Wärmefreisetzungs/ Zeit-Kurve eines typischen Pkw-Brandes nachgestellt und die Rauchausbreitung mittels Brandpulver und zusätzlichem Nebelfluid sichtbar gemacht. Die Effektivität der in einem Modellversuch optimierten Entrauchungsmaßnahmen konnte nachgewiesen werden. [1] Gerhardt, H.J.: Entrauchungsnachweise Kritische Diskussion von Methoden des Brandschutzingenieurwesens, in: vfdb-zeitschrift, Verlag W. Kohlhammer (Hrsg.), Heft 3, August 2001, S [2] Gerhardt, H.J.: Leserbrief mit Anmerkungen zu Aspekte der experimentellen Brandmodellierung von Ulrich Schneider und Ulrich Seifert, vfdb-zeitschrift 2/2003, Seite 43, in: vfdb-zeitschrift, Verlag W. Kohlhammer (Hrsg.), Heft 3, August 2003, S [3] Schneider, U. und Seifert, U.: Aspekte der experimentellen Brandmodellierung, vfdb-zeitschrift 2/2003, S. 43. [4] Gerhardt, H.J.: Wind- und Temperatureinflüsse bei der Planung von Entrauchungseinrichtungen, VdS-Fachtagung, November 2004, Köln. [5] Gerhardt, H.J. und Schönwald, J.: Eine neue Brandsimulationsvorrichtung, in: vfdb-zeitschrift, Verlag W. Kohlhammer (Hrsg.), Heft 3, August 2002, S Literatur [6] Gerhardt, H.J. und B. Konrath: Rauchableitung in unterirdischen Verkehrsanlagen Möglichkeiten und Hinweise zur Ausführung, in: vfdb-zeitschrift, Verlag W. Kohlhammer (Hrsg.), Heft 2, Mai 2003, S Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf 2005