Brandsimulationsrechnungen zur Bemessung und Heißrauchversuche zum Nachweis der Wirksamkeit schutzzielorientierter Rauchschutzmaßnahmen

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1 Brandsimulationsrechnungen zur Bemessung und Heißrauchversuche zum Nachweis der Wirksamkeit schutzzielorientierter Rauchschutzmaßnahmen Manuel Osburg, M.Sc. Dipl. Phys. Monika Rosemann, M.Eng. Brandschutz Consult Ingenieurgesellschaft mbh Leipzig Internet: Kurzfassung: Der vorliegende Beitrag schildert die Grundlagen von Brandsimulationsrechnungen und Heißrauchversuchen, insbesondere hinsichtlich deren Anwendung bei der Bemessung und bei dem Nachweis der Wirksamkeit schutzzielorientierter Rauchschutzmaßnahmen. Es erfolgt eine Gegenüberstellung der Methoden sowie eine vergleichende Anwendung für eine bauliche Anlage. Die sich ergänzende Bedeutung für die Planung und Realisierung von Rauchschutzmaßnahmen in Neubau- und Bestandsobjekten wird herausgestellt. 1. Einleitung Zur Erfüllung der öffentlich-rechtlichen Schutzziele des Brandschutzes (vgl. 14 MBO) bei der Erarbeitung von Brandschutznachweisen gibt es - neben der Anwendung deskriptiver Vorschriften (materielle Anforderungen gemäß Landesbauordnung, Sonderbauvorschriften und Technischen Baubestimmungen) - auch die Möglichkeit des schutzzielorientieren Nachweises durch Anwendung von Ingenieurmethoden des Brandschutzes. Im bauordnungsrechtlichen Genehmigungsverfahren haben sich der Nachweis einer ausreichenden Rauchableitung sowie die brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen als übliche Anwendungsmöglichkeiten von Ingenieurmethoden etabliert. Dabei kommt der schutzzielorientierten Bemessung von Rauchschutzmaßnahmen aufgrund der Relevanz für die Selbst- und Fremdrettung eine besondere Bedeutung zu. Für den Rauchschutznachweis kommen regelmäßig Brandsimulationsrechnungen zum Einsatz. Durch Anwendung dieser Berechnungen kann - unter Berücksichtigung der nutzungsund objektspezifischen Besonderheiten - die Rauchausbreitung zur Beurteilung der Personengefährdung bzw. der Ermöglichung einer wirksamen Brandbekämpfung für eine Vielzahl von Szenarien berechnet werden. Im Ergebnis dieser Berechnungen erfolgt die Ableitung konkreter Rauchschutzmaßnahmen. Aufgrund der Annahmen und Grenzen eines mathematischen Modells sowie einer Vielzahl nicht vollständig zu erfassender Einflussgrößen sind Brandsimulationsrechnungen stets mit Unsicherheiten behaftet. So kommt auch Münch in seiner Dissertation zu dem Schluss, dass ein vollständig fehlerfreies CFD-Programm [ ] eher eine Idealvorstellung, als eine realistische Annahme ist [1]. Zur Absicherung der Ergebnisse von Brandsimulationsrechnungen sowie zur Erfassung von Einflussgrößen, welche durch derartige Berechnungen nicht vollständig abgebildet werden können, eignet sich die Durchführung von Heißrauchversuchen im realen Objekt. Zur Durchführung von Heißrauchversuchen existieren verschiedene Methoden. Bei der klassischen Methode erfolgt die Nachbildung der Wärme- und Rauchfreisetzung für die Brandentwicklungsphase durch Abbrand brennbarer Flüssigkeiten in Stahlwannen (sog. Poolbrand ) und das Markieren der aufsteigenden Heißgase durch ein Nebelaerosol. 1

2 Die Anwendung von Heißrauchversuchen für die Brandentwicklungsphase eignet sich besonders zur Beurteilung der Rauchausbreitung während der Selbstrettung von Personen sowie zur Beurteilung der Wirksamkeit anlagentechnischer Brandschutzmaßnahmen hinsichtlich des Rauchschutzes. Weiterhin können die Funktionsfähigkeit und das Zusammenwirken aller für die Rauchableitung relevanter Brandschutzmaßnahmen, wie z. B. Branderkennung mit Brandfallsteuerung, Ansteuerung von Feuer- und Rauchschutzabschlüssen, überprüft werden. Darüber hinaus eignen sich Heißrauchversuche besonders zur Bewertung komplexer Einflussfaktoren, z. B. Zuluft- / Querströmungen und meteorologische Bedingungen (Außenwind, Wärmepolster, Temperaturdifferenzen). Durch die gemeinsame Anwendung von Brandsimulationsrechnungen und Heißrauchversuchen im bauordnungsrechtlichen Genehmigungsverfahren können zum einen eine Vielzahl verschiedener Szenarien mit Parametervariation zur quantitativen Bemessung von Rauchschutzmaßnahmen untersucht werden und zum anderen können die rechnerischen Ergebnisse experimentell überprüft und komplexe Einflussfaktoren im Realversuch bewertet werden. Im Ergebnis der Versuche im fertigen Objekt können, z. B. durch Einflussnahme auf die Brandfallsteuerung, häufig noch Optimierungen erreicht und Risiken beseitigt werden. 2. Bauordnungsrechtliche Vorgaben in Bezug auf die Rauchableitung Mit dem im Oktober 2008 von der Fachkommission Bauaufsicht und den Gremien der Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren in Deutschland verabschiedeten Grundsatzpapier zur Rettung von Personen und wirksamen Löscharbeiten [3] wurde u. a. klargestellt, dass eine Rauchableitung nur zur Unterstützung der Brandbekämpfung durch die Feuerwehr vorgesehen ist und die MBO für die Personenrettung keine Maßnahmen zur Rauchableitung vorsieht. Mit der Neufassung der Muster-Industriebau-Richtlinie (MIndBauRL) sowie der Änderung der Muster-Versammlungsstättenverordnung (MVStättVO) und der Muster-Verkaufsstättenverordnung (MVKVO) im Juli 2014 erfolgte insbesondere eine Anpassung der Regelungen für die Rauchableitung unter Berücksichtigung des o. g. Grundsatzpapiers. Mit dieser Neuregelung wurde erreicht, dass im Regelfall die Gestaltung der Rettungswege ohne ingenieurmäßige Bemessungen auskommt. Im Unterschied dazu müssen mit den vorherigen Regelungen der MIndBauRL (Fassung März 2000) bzw. MVStättVO (Fassung Juni 2005), welche in einigen Bundesländern noch gültig sind, Rauchabzugsanlagen so bemessen sein, dass sie eine raucharme Schicht von mindestens 2,50 m ermöglichen. Dies erfordert im Regelfall die Anwendung von Ingenieurmethoden des Brandschutzes. Die vereinfachten Regelungen zur Rauchableitung, welche auf die Unterstützung der Brandbekämpfung durch die Feuerwehr abzielen, beziehen sich jedoch nur auf solche Gebäude, die die bauordnungsrechtlichen Anforderungen einhalten und keine Abweichungen in Anspruch nehmen, also wenn die grundlegenden bauordnungsrechtlichen Anforderungen insbesondere hinsichtlich der Standsicherheit im Brandfall, der brandschutztechnischen Raumtrennung und Abschnittsbildung und der ausreichenden Bemessung, Anordnung und Ausbildung der Rettungswege erfüllt und die erforderlichen betrieblich/organisatorischen Vorkehrungen und ggf. anlagentechnischen Maßnahmen einschließlich Alarmierung vorgesehen sind [4]. Besondere Maßnahmen der Rauchableitung, welche über die Grundanforderungen des Bauordnungsrechts hinausgehen, können somit zur Kompensation für eine Abweichung von o. g. Anforderungen in Betracht kommen, z. B. wenn die rechtzeitige und sichere Funktion der Rauchabzugsanlagen Voraussetzung für die Benutzbarkeit der Rettungswege ist [3]. 2

3 Gemäß 51 MBO können an Sonderbauten im Einzelfall besondere Anforderungen gestellt oder Erleichterungen gestattet werden. Die Anforderungen und Erleichterungen können sich insbesondere auf die Lüftung und Rauchableitung erstrecken ( 51 Nr. 11 MBO). Die Bauordnung für das Land Nordrhein-Westfalen greift diese Mustervorgabe in 54 Nr. 21 BauO NRW auf, wonach sich Anforderungen und Erleichterungen insbesondere auf Nachweise über die Nutzbarkeit der Rettungswege im Brandfall erstrecken können [2]. Hierzu bemerkt die Amtliche Begründung (LT-Drucks. 12/3738 S. 81 zu Art. I Nr ): Sofern Rettungswege innerhalb eines Luftraums, z. B. eines überdachten Atriumhofes oder eines überdachten Großraumes zwischen Gebäudetrakten, als offener Gang, Galerie oder Empore geführt werden, muss die Nutzbarkeit dieser Rettungswege nachgewiesen werden. Die Funktion der Rettungswege darf nämlich im Brandfall durch Rauch nicht beeinträchtigt werden. Der Nachweis der Rauchfreihaltung erfolgt zunächst im Rahmen des Brandschutzkonzepts aufgrund wissenschaftlicher Bemessungsgrundlagen. Die vorbenannte Situation der Rettungswegführung über ein Atrium stellt einen typischen Anwendungsfall für die Bemessung schutzzielorientierter Rauchschutzmaßnahmen durch Anwendung von Methoden des Brandschutzingenieurwesens dar. Im Übrigen steht diese Ausführung nicht im Konflikt mit dem Grundsatzpapier der Fachkommission Bauaufsicht [3], wonach die MBO für die Personenrettung keine Maßnahmen zur Rauchableitung vorsieht, da diese Grundsätze sich nur auf solche Gebäude [beziehen], die die bauordnungsrechtlichen Anforderungen einhalten, also keine Abweichungen in Anspruch nehmen. Die Rettungswegführung innerhalb eines Luftraums stellt eine wesentliche Abweichung von bauordnungsrechtlichen Anforderungen dar, sodass die Nutzbarkeit dieser Rettungswege aufgrund des Fehlens der inneren Abschottung des Gebäudes sowie der abweichenden Führung und Ausbildung von Rettungswegen durch eine gesonderte Betrachtung (z. B. Rechenverfahren nach Methoden des Brandschutzingenieurwesens) nachzuweisen ist. 3. Grundlagen und Methodik eines schutzzielorientierten Rauchschutznachweises Gemäß [5] stehen als Nachweiskriterien für die Personensicherheit zur Verfügung: 1) die Höhe der raucharmen Schicht, 2) die Qualität der raucharmen Schicht und 3) thermische Einwirkungen aus Wärmestrahlung und Konvektion. Die thermischen Einwirkungen aus Wärmestrahlung und Konvektion sind insbesondere im Flammenbereich sowie eventuell hinsichtlich der Heißgasschicht zu betrachten [5]. Da der Nachweis der Personensicherheit typischerweise nicht für den unmittelbaren Brandnahbereich und in der Regel nur für die Brandentwicklungsphase mit verhältnismäßig geringer Brandleistung geführt wird, werden die Nachweiskriterien dieser thermischen Einwirkungen im Rahmen des vorliegenden Beitrags nicht weiter betrachtet. Die Höhe der raucharmen Schicht (auch Kaltgasschicht) ist das offensichtlichste und am einfachsten nachvollziehbare [Nachweis]-Kriterium und im Allgemeinen ein konservatives, früh anschlagendes Kriterium [ ], welches allein auf physikalischen Phänomenen (Anmerkung: vor allem Stratifizierung aufgrund brandinduzierter Thermik) und nicht auf Betrachtungen zu Schadenswirkungen basiert [5]. Zur Gewährleistung der Selbstrettung von Personen und zur Ermöglichung einer wirksamen Brandbekämpfung durch die Feuerwehr ist eine raucharme Schicht mit einer typischen Höhe von 2,5 m nachzuweisen. 3

4 Zwar kann eine ausreichende Höhe der raucharmen Schicht vorhanden sein; allerdings setzt dies nicht voraus, dass gleichzeitig auch eine Benutzbarkeit dieser raucharmen Schicht zur Selbstrettung oder Brandbekämpfung möglich ist. Die Bezeichnung raucharm impliziert bereits, dass eine gewisse Einmischung von Rauch in die Kaltgasschicht möglich oder regelmäßig zu erwarten ist. Aus diesem Grund ist, neben dem Nachweis der Höhe der raucharmen Schicht, auch der Nachweis einer angemessenen Qualität der raucharmen Schicht erforderlich. Als Beurteilungskriterien gelten, neben der Einhaltung bestimmter Schadstoffkonzentrationen und Grenzwerten thermischer Einflüsse, vor allem die optische Dichte und die daraus resultierende Erkennungsweite. Folgende Tabelle beinhaltet die Anforderungen an die raucharme Schicht gemäß [5]. Tabelle 1: Anforderungen an die raucharme Schicht entsprechend Tabelle 8.3 nach [5] Beurteilungsgröße längere Aufenthaltsdauer (< 30 min) 4 mittlere Aufenthaltsdauer (ca. 15 min) kurze Aufenthaltsdauer (< 5 min) CO-Konzentration 100 ppm 200 ppm 500 ppm CO 2 -Konzentration 1 Vol.-% 2 Vol.-% 3 Vol.-% HCN-Konzentration 8 ppm 16 ppm 40 ppm Wärmestrahlung 1,7 kw/m² 2,0 kw/m² < 2,5 kw/m² Gastemperatur 45 C 50 C 50 C Rauchdichte D L 0,1 m -1 0,1 m -1 / 0,15 m -1 0,1 m -1 / 0,2 m -1 Erkennungsweite 10 m 20 m 10 m 20 m 10 m 20 m Bereits im Anfangsstadium eines Brandes kann die Erkennungsweite aufgrund der Rauchbelastung soweit abnehmen, dass eine Orientierung in den Rettungswegen erschwert wird bzw. nicht mehr möglich ist. Infolgedessen kommt es zu einer Reduzierung der Gehgeschwindigkeit betroffener Personen. Der Verlust der Orientierung, die Verlangsamung der Evakuierung und die damit verbundene Einschränkung der Selbstrettung stellen eine indirekte Ursache für Verletzungen oder den Tod betroffener Personen bei Bränden dar, da hierdurch die Exposition gegenüber Feuer und Rauch begünstigt wird. Für den vereinfachten Nachweis der Personensicherheit innerhalb der raucharmen Schicht wird im vfdb-leitfaden [5] die Aussage getroffen, dass bei einer optischen Dichte pro Weglänge D L 0,1 m -1 [ ] im Rahmen eines ingenieurgemäßen Nachweises in der Regel davon ausgegangen werden [kann], dass gleichzeitig die Akzeptanzwerte für toxische Verbrennungsprodukte im Rauchgas nicht überschritten werden und auch andere Rauchgasbestandteile (insbesondere Reizgase, welche die Erkennungsweite beeinflussen) sowie die Rauchgastemperatur unbedenklich sind. Dies kann somit als Kriterium für den Nachweis einer raucharmen Schicht in den Rettungswegen betrachtet werden. Diese vereinfachte Annahme konnte im Rahmen eines studentischen Forschungsvorhabens an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und der Hochschule Magdeburg-Stendal durch umfassende experimentelle Untersuchungen bestätigt werden [6]. Bei dem Großteil der durchgeführten Brandversuche mit unterschiedlichen Brandlasten war die optische Dichte mit D L = 0,1 m -1 das zuerst überschrittene Schutzzielkriterium.

5 optische Dichte [1/m] 4. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztag 26./27. März 2015 Folgende Abbildung zeigt den Verlauf der optischen Dichte sowie der FED/FEC-Werte für reizende, toxische/narkotisierende und thermische Einflüsse für den Abbrand einer Mischkrippe mit hohem toxischen Potential, bestehend aus Polyvinylchlorid, Polypropylen und Polyamid. Die beiden Ordinatenachsen wurden derart skaliert, dass die Grenzwerte D L = 0,1 m -1 und FED/FEC = 0,3 auf gleicher Höhe liegen und so eine Bewertung über die Reihenfolge der Überschreitungen der jeweiligen Schutzzielkriterien möglich ist. 1,0 0,6 FED / FEC 0,1 0,3 Optische Dichte FEC_Reiz FED_Tox FED_therm 0,0 0, Zeit nach Zündung [s] Abbildung 1: Verlauf optische Dichte / FED/FEC-Werte (PVC-PP-PA-Mischkrippe) [6] Die Einschränkung der Selbstrettung aufgrund der Sichtbeeinträchtigung wird bei diesem exemplarischen Beispiel durch das Überschreiten des Grenzwertes der optischen Dichte zuerst erreicht, gefolgt von der beginnenden Handlungsunfähigkeit durch reizend wirkende Schadstoffe (hier vor allem Chlorwasserstoff aufgrund der Verbrennung von PVC). Die Einschränkung der Selbstrettung durch toxische/narkotisierende Schadstoffe und thermische Einflüsse wird aufgrund der dosisabhängigen Berücksichtigung dieser Einwirkungen erst zu einem deutlich späteren Zeitpunkt erreicht. 4. Brandsimulationsrechnungen zur Bemessung von Rauchschutzmaßnahmen Zur schutzzielorientierten Bemessung von Rauchschutzmaßnahmen, d. h. zur Beurteilung der Personengefährdung bzw. der Ermöglichung einer wirksamen Brandbekämpfung, erfolgt die Anwendung von Brandsimulationsrechnungen für eine Vielzahl möglicher Szenarien mit beliebiger Parametervariation. Die Durchführung dieser Berechnungen erfolgt in der Regel während der Entwurfs- bzw. Genehmigungsplanung, sodass konkrete Rauchschutzmaßnahmen bereits frühzeitig festgelegt werden und somit Eingang in den bauordnungsrechtlichen Genehmigungsprozess finden. CFD-Modelle haben sich zu einer etablierten Methode bei der mathematischen Simulation von Bränden entwickelt. Durch Einsatz spezialisierter Brandsimulationsmodelle können beispielsweise die Brand- und Rauchausbreitung in Räumen und Gebäuden oder die thermische Belastung von Bauteilen berechnet werden. Der Einsatz von CFD-Modellen (engl. Computational Fluid Dynamics; auch Feldmodelle) ist eine Methode der numerischen Strömungsmechanik zur computergestützten Berechnung von Strömungen. Hierbei können durch Anwendung numerischer Berechnungsverfahren, besonders durch die räumliche und zeitliche Diskretisierung, sowie unter Berücksichtigung grundsätzlicher physikalischer Gesetzmäßigkeiten strömungsmechanische Fragestellungen gelöst werden. Ausgehend von den physikalischen Prinzipien der Erhaltung von Masse, Energie und Impuls werden Erhaltungsgleichungen abgeleitet, welche die zeitliche und räumliche Veränderung elementarer Größen beschreiben [5]. 5

6 5. Heißrauchversuche zum Nachweis der Wirksamkeit von Rauchschutzmaßnahmen Zunächst soll zur Thematik Rauchversuche in Gebäuden eine Begriffsdefinition erfolgen. Im Allgemeinen wird zwischen Kalt- und Heißrauchversuchen unterschieden. Aufgrund der fehlenden thermischen Unterstützung bei Kaltrauchversuchen können keine brandinduzierten und auftriebsbehafteten Strömungen realisiert werden, sodass diese Art von Rauchversuchen nicht geeignet ist, um eine qualitative oder quantitative Beurteilung des Rauchschutzes vorzunehmen. Im Folgenden werden daher ausschließlich Heißrauchversuche betrachtet. Gemäß vfdb-leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes können Heißrauchversuche nach Fertigstellung eines Gebäudes zur Prüfung der strömungstechnischen Wirksamkeit von Rauchableitungsanlagen durchgeführt werden. [Dabei] können erwärmte Luft oder offene Poolbrände mit flüssigen Brennstoffen bzw. Gasbrenner eingesetzt werden. Zur Visualisierung der Rauchgasströmungen werden der Auftriebsströmung meist Aerosole aus Nebelfluiden oberhalb der Flammenzone beigemischt [5]. Diese Versuche können gemäß Verwaltungsvorschrift zur BauO NRW als Nachweis für die Nutzbarkeit der Rettungswege im Brandfall [ ] oder in Ergänzung von Rechenverfahren nach Methoden des Brandschutzingenieurwesens erforderlich sein. Diese Einschätzung, dass Rauchversuche [ ] besonders [dann eine] hohe Bedeutung [erhalten], wenn sie zur Überprüfung der Sicherheit von Rettungswegen eingesetzt werden, wird auch durch Technischen Bericht der IG BS-Ing Grundsätze für Rauchversuche in Gebäuden [7] unterstrichen. Hinweise zur Durchführung von Rauchversuchen sind u. a. im Technischen Bericht der IG BS-Ing Grundsätze für Rauchversuche in Gebäuden [7] sowie in der VDI-Richtlinie 6019 Blatt 1 [8] enthalten und stellen den aktuellen Stand der Technik dar. Darüber hinaus beschäftigten sich u. a. studentische Arbeiten zu Teilaspekten der Thematik, z. B. [9], [10]. Als klassische Methode zur Durchführung von Heißrauchversuchen hat sich die Verwendung offener Poolbrände mit flüssigen Brandstoffen und die Visualisierung der Heißgase durch Nebelaerosole etabliert. Nebenstehende Abbildung zeigt den Versuchsaufbau eines Heißrauchversuches. Dabei erfolgt die Nachbildung der Wärmefreisetzung durch Abbrand von Auftriebsbehaftete Methanol in Stahlwannen (sog. Poolbrand ). Heißgasströmung Die Verwendung von Methanol hat den Vorteil, dass eine nahezu vollständige Verbrennung, d. h. ohne Freisetzung von Ruß oder Schadstoffen, erfolgt. Die aufsteigenden Heißgase werden durch ein Nebelaerosol (Glykolnebel) markiert. Aerosolgenerator 15 Abbildung 2 zeigt die auftriebsbehaftete Heißgasströmung des Poolbrandes. Bei diesem Versuch wurde über eine Branddauer von 15 Minuten eine Wärmefreisetzungsrate von ca. 175 kw realisiert. In Abbildung 2 ist auch ein idealisierter Brandwanne, ggf. Plume, mit einem charakteristischen Winkel mit Abbrandwaage zwischen Plume-Achse und Plume-Kegel von 15 [5], schematisch eingezeichnet. Abbildung 2: Versuchsaufbau Heißrauchversuch 6

7 Die Anwendung von Heißrauchversuchen eignet sich besonders zur Beurteilung der Wirksamkeit anlagentechnischer Brandschutzmaßnahmen hinsichtlich des Rauchschutzes. Die Funktionsfähigkeit und das Zusammenwirken aller für die Rauchableitung relevanter Brandschutzmaßnahmen, wie z. B. Branderkennung mit Brandfallsteuerung, Ansteuerung von Feuer- / Rauchschutzabschlüssen, können überprüft werden. Diese realitätsnahe Überprüfung des bestimmungsgemäßen Zusammenwirkens der Anlagen kann beispielsweise im Rahmen einer Wirk-Prinzip-Prüfung nach Muster-Prüfverordnung realisiert werden. Darüber hinaus eignen sich Heißrauchversuche zur Bewertung komplexer Einflussfaktoren, z. B. Zuluft- / Querströmungen und meteorologischer Bedingungen (Außenwind, Wärmepolster, Temperaturdifferenzen). Die Berücksichtigung dieser Einflussfaktoren können mit Brandsimulationsrechnungen nur begrenzt oder gar nicht nachgebildet werden. Anwendungsgrenzen von Heißrauchversuchen resultieren im Wesentlichen aus der erforderlichen Begrenzung der Wärmefreisetzungsrate, um Schäden am Gebäude zu verhindern, sowie aus der Tatsache, dass keine tatsächliche Rauchfreisetzung in Form von Ruß erfolgt, sondern lediglich das Markieren der Heißgase durch ein Nebelaerosol. Aus diesem Grund kann durch Heißrauchversuche zwar die Höhe der raucharmen Schicht bewertet werden, jedoch nur im begrenzten Umfang die Qualität der raucharmen Schicht hinsichtlich der Sichtbeeinträchtigung. Zu diesem Sachverhalt sind weitergehende Untersuchungen erforderlich, inwieweit derartige Versuche auch zur quantitativen Beurteilung der Personensicherheit geeignet sind. Eine Zusammenstellung von Grundsätzen für Rauchversuche ist [7] zu entnehmen und wird nachfolgend auszugsweise aufgeführt. Hierbei wird zwischen drei Stufen mit unterschiedlichen Zielstellungen und möglichen Aussagen unterschieden. Tabelle 2: Zusammenstellung von Grundsätzen für Rauchversuche in Gebäuden [7] 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 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 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 Rauchschutzkonzepts; In diesem Fall sollte der Windeinfluss berücksichtigt werden; Im Ergebnis des Versuchs können erforderliche Veränderungen an der Anlage nachgewiesen und begründet werden. 7 Aerosolgenerator mit geringer thermischer Unterstützung oder unter Nutzung des gebäudeeigenen Strömungsverhaltens Aerosolgenerator mit festlegbarem Abgangsvolumenstrom ohne verfälschendem vertikalen Impuls; Mäßige Wärmequelle für MA + NA; Aufgabe von Rauchmengen, die dem jeweiligen Bemessungsbrand als Funktion der Zeit entsprechen. Aerosolgenerator mit festlegbarem Abgangsvolumenstrom ohne verfälschendem vertikalen Impuls mit bemessungsabhängiger thermischer Unterstützung; Es werden bezogen auf den Auslegungsansatz für die Rauchabzugsanlage mehrere Stützstellen der Wärmefreisetzung nachgebildet, um die Wirkungen eines Entstehungs-brandes zu simulieren. Die Extrapolation auf größere Wärmefreisetzungsraten ist möglich.

8 6. Anwendungsbeispiel Im Innenstadtbereich der Lutherstadt Wittenberg wurde im Zeitraum von 2011 bis 2012 ein Einkaufszentrum errichtet, welches im Erd- und Obergeschoss als Verkaufsstätte genutzt wird. Die Brandschutz Consult Ingenieurgesellschaft mbh Leipzig war mit der Erstellung eines Brandschutzkonzeptes, einschließlich der Erbringung von Beratungsleistungen im Zuge der Planung und Ausführung sowie der Anwendung ingenieurtechnischer Methoden, beauftragt. Folgende Abbildungen zeigen eine Luftbildaufnahme des Gebäudes sowie eine Innenansicht der Ladenstraße über welche die Verkaufsräume in zwei Geschossen erschlossen werden. Abbildung 3: Luftbildaufnahme (links) und Innenansicht Ladenstraße (rechts) Zum Zeitpunkt der Genehmigungsplanung war in Sachsen-Anhalt keine Sonderbauvorschrift für Verkaufsstätten in Kraft, sodass ersatzweise die Muster-Verkaufsstättenverordnung (MVKVO, September 1995) zur brandschutztechnischen Bewertung herangezogen wurde. Um bestimmte Erleichterungen der MVKVO anwenden zu können (Brandabschnittsbildung und Verlängerung der Rettungsweglänge), muss die Ladenstraße Rauchabzugsanlagen haben. Allerdings beinhaltet die MVKVO keine materiellen Anforderungen an diese Anlagen. Aus diesem Grund erfolgte die Bemessung der Rauchabzugsanlagen für die Ladenstraße durch Anwendung von Brandsimulationsrechnungen unter Berücksichtigung nutzungs- und objektspezifischer Bemessungsbrandszenarien sowie konkreter Schutzzielkriterien. Die Bemessung der Rauchabzugsanlagen durch Anwendung von Ingenieurmethoden ist bei Ladenstraßen mit mehreren Ebenen auch gemäß der im Juli 2014 geänderten MVKVO erforderlich (vgl. 16 Abs. 2 Nr. 4 MVKVO). Folgende Abbildungen zeigen Grundrisse und Schnitte der zweigeschossigen Ladenstraße. Die maximalen Abmessungen der Ladenstraße betragen im Obergeschoss 112 m in der Länge und 19 m in der Breite. Das Dach der Ladenstraße wird über die gesamte Länge als Satteldach ausgeführt. Die Höhe des Dachfirstes liegt etwa 16 m oberhalb der Oberkante des Fußbodens des Erdgeschosses. Abbildung 3: Grundriss Erdgeschoss (l.) und Obergeschoss (r.) mit Kennzeichnung der Ladenstraße 8

9 Abbildung 2: Längsschnitt durch die Ladenstraße der Verkaufsstätte Abbildung 3: Querschnitt durch die Ladenstraße der Verkaufsstätte Zur Quantifizierung des Brandszenariums wurde ein idealisierter Bemessungsbrand unter Ansatz des t 2 -Modells herangezogen. Für die Nutzung als Verkaufsstätte wurde eine schnelle Brandausbreitung (t g = 150 s) angesetzt. Die maximale Brandleistung für ein Brandszenarium auf der Ladenstraße wurde, unter Berücksichtigung nutzungsspezifischer Brandlasten sowie aufgrund der vorhandenen Sprinkleranlage, auf maximal 5 MW begrenzt [11]. Die für die Beurteilung der Qualität der raucharmen Schicht erforderlichen Brandparameter Rußausbeute und Heizwert wurden mit y Ruß = 0,07 g/g und h u = 20 kj/g gewählt und decken damit vor allem Brände mit Mischbrandlasten ab. Mit dem zuvor beschriebenen Bemessungsbrand werden nahezu alle denkbaren Szenarien für einen Brand auf der Ladenstraße erfasst. Zur Sicherstellung raucharmer Rettungswege für die Nutzer und raucharmer Angriffswege für die Feuerwehr wurden 10 natürliche Rauch- und Wärmeabzugsgeräte (NRWG) an der obersten Stelle der Ladenstraße vorgesehen und gleichmäßig in der Dachfläche verteilt. Diese Rauch- und Wärmeabzugsgeräte bewirken die Ableitung von Rauch durch den natürlichen Auftrieb aufgrund von Temperatur- und Dichteunterschieden bei einem Brand. Die erforderliche aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche der NRWG wurde im Ergebnis der Brandsimulationsrechnungen mit jeweils A w = 2,75 m² bzw. insgesamt 27,5 m² ermittelt. Als Zuluftöffnungen sind vier Zugänge zur Ladenstraße im Erdgeschoss mit jeweiligen geometrischen Öffnungsflächen von 2 x 10 m² und 2 x 6 m² vorgesehen. Somit ergibt sich eine geometrische Zuluftfläche von insgesamt A zu = 32,0 m². Die Ansteuerung der NRWG sowie der Zuluftöffnungen erfolgt automatisch über Rauchmelder, welche im Dachbereich der Ladenstraße angeordnet werden, sowie über Handauslösetaster. Weiterhin erhält die Ladenstraße im Dachbereich eine feststehende Rauchschürze, welche zur Bildung von zwei Rauchabschnitten dient. Ohne diese Rauchschürze würde die Ladenstraße eine signifikante Verrauchung erfahren und der Nachweis einer raucharmen Schicht wäre für das Obergeschoss der Ladenstraße nicht mehr möglich. 9

10 Folgende Abbildungen zeigen die optische Dichte (Skalierung bis D L = 0,1 m -1 ) und die Temperatur (Skalierung bis T = 50 C) als Längsschnitt durch die Ladenstraße zur 10. Minute. Da die Variante 1 keine Rauchschürze beinhaltet, kommt es zur Rauchausbreitung über die gesamte Länge der Ladenstraße. Durch die Abkühlung des Rauches mit steigender Entfernung zur Brandstelle, findet aufgrund der verminderten Thermik auch keine wirksame Rauchableitung statt. Teilweise kommt es sogar zum Einstrom von Zuluft über die NRWG, was zu einer zusätzlichen Verschlechterung der Verrauchungssituation führt. Mit Berücksichtigung einer Rauchschürze erfolgt bei Variante 2 nur die Verrauchung des betroffenen Rauchabschnitts und bei ausreichender Dimensionierung der Rauchabzüge kommt es auch nicht zum Unterspülen der Rauchschürze. Durch die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Thermik findet eine wirksame Rauchableitung statt, wodurch das Schutzziel einer raucharmen Schicht erreicht wird. Darstellung der optischen Dichte als Längsschnitt durch die Ladenstraße Variante 1: Situation ohne Rauchschürze Variante 2: Situation mit Rauchschürze Darstellung der Temperatur als Längsschnitt durch die Ladenstraße Variante 1: Situation ohne Rauchschürze Variante 2: Situation mit Rauchschürze Abbildung 4: Darstellung der optischen Dichte und Temperatur als Längsschnitte 10

11 Masse (kg) Abbrandrate (g/s) Wärmefreisetzungsrate (kw) Totale Wärmefreisetzung (MJ) 4. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztag 26./27. März 2015 Zur Ergänzung der Brandsimulationsrechnungen wurden Heißrauchversuche durchgeführt. Die Nachbildung der Wärme- und Rauchfreisetzung erfolgte für den Entstehungsbrand durch Abbrand von Methanol in Stahlwannen (sog. Poolbrand ) und das Markieren der aufsteigenden Heißgase durch ein Nebelaerosol (Glykolnebel). Abbildung 5: Versuchsaufbau Heißrauchversuch Abbildung 5 zeigt den Versuchsaufbau während eines Heißrauchversuchs. Durch den Abbrand von Methanol in sechs Stahlwannen mit einem Durchmesser von jeweils 0,74 m wird eine Wärmefreisetzungsrate von ca. 1 MW realisiert. Zur Ermittlung der Wärmefreisetzungsrate wurde in einem separaten Versuch die Masse während des Abbrands einer Wanne durch Einsatz einer Waage bestimmt. Folgende Abbildungen zeigen den Verlauf der Masse bzw. Abbrandrate (links) und der Wärmefreisetzungsrate HRR bzw. totalen Wärmefreisetzung THR (rechts) Zeit (s) Zeit (s) m (kg) m' (g/s) HRR (kw) THR (MJ) Abbildung 6: Zeitlicher Verlauf der Masse und Abbrandrate (links) sowie der Wärmefreisetzungsrate und totale Wärmefreisetzung (rechts) 11

12 Im Ergebnis der Heißrauchversuche konnte die Rauchausbreitung während der frühen Brandphase mit verhältnismäßig geringer Wärmefreisetzungsrate beurteilt werden. Dabei wurden die Ergebnisse der Brandsimulationsrechnungen qualitativ bestätigt. Es stellte sich eine stabile Rauchschichtung ein; eine Einmischung von Heißgasen in die raucharme Schicht war nicht bzw. nur im geringen Umfang erkennbar. Insbesondere konnte durch den Heißrauchversuch die Wirksamkeit der Rauchschürze nachgewiesen werden. Folgende Abbildungen zeigen deutlich die Begrenzung der Rauchausbreitung durch die Rauchschürze. Rauchschürze Rauchschürze Abbildung 7: Begrenzung der Rauchausbreitung durch die Rauchschürze Weiterhin konnten durch die Versuche die Funktionsfähigkeit und das Zusammenwirken der für die Rauchableitung relevanten Brandschutzmaßnahmen, wie Branderkennung mit Brandfallsteuerung sowie Ansteuerung von Rauchabzügen und Zuluftöffnungen, beurteilt werden. 6. Schlussfolgerungen Die gemeinsame Anwendung von Brandsimulationsrechnungen und Heißrauchversuchen ermöglicht die Bemessung auf Basis einer Vielzahl möglicher Szenarien und den experimentellen Nachweis der Wirksamkeit schutzzielorientierter Rauchschutzmaßnahmen. Durch Anwendung von Brandsimulationsrechnungen erfolgt die quantitative Bemessung von Rauchschutzmaßnahmen für eine Vielzahl verschiedener Szenarien. Aufgrund der Wiederholbarkeit und der Beliebigkeit der Eingabe- und Rahmenbedingungen sind insbesondere Parametervariationen und Optimierungen möglich. Es erfolgt die Bewertung der Personensicherheit hinsichtlich der Höhe der raucharmen Schicht und insbesondere hinsichtlich der Qualität der raucharmen Schicht und der thermischen Einwirkungen, da die bemessungsrelevante Wärmefreisetzungsrate sowie die Rauch- und Schadstoffausbeuten vorgegeben werden und daraufhin die Rauch- und Schadstofffreisetzung berechnet wird. 12

13 Andererseits können die rechnerischen und mit Unsicherheiten behafteten Ergebnisse der Brandsimulationsrechnungen durch Anwendung von Heißrauchversuchen im fertigen Objekt einer mindestens qualitativen Überprüfung unterzogen werden. Gegebenenfalls sind bei Realisierung einer ausreichenden Wärmefreisetzungsrate auch quantitative Aussagen, bspw. zur Höhe der raucharmen Schicht, möglich (Stufen 2 und 3 gemäß [7]). Darüber hinaus können komplexe Einflussfaktoren auf die Rauchableitung (z. B. strömungstechnische und meteorologische Einflüsse) und objekt- und anlagenspezifische Besonderheiten erkannt und bewertet werden, was durch die alleinige Anwendung von Brandsimulationsrechnungen nicht bzw. nur eingeschränkt möglich wäre. Das Zusammenwirken und die Funktionsfähigkeit der relevanten Brandschutzmaßnahmen, insbesondere hinsichtlich der Rauchableitung, können im Rahmen von Heißrauchversuchen, ggf. in Kombination mit einer Wirk-Prinzip-Prüfung nach MPrüfVO, überprüft werden. Das Führen eines Rauchschutznachweises entsprechend Abschnitt 3 ist durch die alleinige Anwendung eines Heißrauchversuches jedoch nicht möglich. Dies begründet sich im Wesentlichen darin, dass nur verhältnismäßig niedrige Brandleistungen realisiert werden können, was im Regelfall nicht einem bemessungsrelevanten Brandszenarium entspricht. Weiterhin erfolgt keine tatsächliche Rauchfreisetzung, sondern das Markieren der Heißgase durch ein Nebelaerosol. Sichtbeeinträchtigungen können dadurch nur qualitativ bewertet werden. Quantitative Bewertungen der Sichtbeeinträchtigung bei Rauchversuchen sind nur im begrenzten Umfang möglich und erfordern eine detaillierte Vor- und Nachbereitung. Trotz dieser Anwendungsgrenzen ist die ergänzende Durchführung von Heißrauchversuchen im Rahmen eines Rauchschutznachweises ein wichtiges Hilfsmittel zur Überprüfung der Brandsimulationsrechnungen für die Brandentwicklungsphase sowie zur ganzheitlichen Bewertung des Rauchschutzes im realen Objekt. Auch Vondersahl kommt in seiner Bachelorarbeit zu dem Schluss, dass eine Überprüfung von Rauchableitungsmaßnahmen in Gebäuden [ ] zwingend unter Zuhilfenahme von Rauchversuchen und von Brandsimulationen erfolgen [sollte], da beide Verfahren Ergebnisse liefern können, die mit dem jeweils anderen Verfahren nicht darstellbar sind [10]. 13

14 Literatur: [1] Münch M.; Konzept zur Absicherung von CFD-Simulationen im Brandschutz und in der Gefahrenabwehr, Verlag INURI GmbH, Berlin, 2013 [2] Gädtke, Czepuck, Johlen, Plietz, Wenzel; BauO NRW Kommentar, 12. Auflage, Werner Verlag, Köln, 2011 [3] Famers G., Messerer J.; Rettung von Personen und wirksame Löscharbeiten bauordnungsrechtliche Schutzziele mit Blick auf die Entrauchung Ein Grundsatzpapier der Fachkommission Bauaufsicht, [4] Fachkommission Bauaufsicht der Bauministerkonferenz; Richtlinie über den baulichen Brandschutz im Industriebau (MIndBauRL), Erläuterungen, Stand Juli 2014 [5] Hosser D. (Hrsg.); Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes, vfdb e.v., Technischer Bericht TB 04-01, 3., überarbeitete und ergänzte Auflage November 2013 [6] Wiezorek M., Böttger A., Franke E.; Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen Umfangreiche Brandversuche zur Personensicherheit in Rettungswegen, vfdb Zeitschrift, Heft 4/2014 [7] vfdb-ig BS-Ing Interessengemeinschaft Brandschutzingenieure ; Grundsätze für Rauchversuche in Gebäuden, Technischer Bericht, vfdb Zeitschrift, Heft 3/2001 [8] VDI-Richtlinie 6019 Blatt 1; Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit, VDI, Mai 2006 [9] Heinrich M.; Vergleichende Durchführung von Brand- und Heißrauchversuchen zur Quantifizierung der Rauchvolumenströme bei Heißrauchversuchen zur physikalischen Simulation von Bränden in bestehenden Gebäuden, Diplomarbeit, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig, Oktober 2009 [10] Vondersahl E. A.; Bewertung von Rauchversuchen zur Überprüfung von Rauchableitungsmaßnahmen in Gebäuden Vergleich der Versuchsdurchführung mit Simulationen, Bachelorarbeit, Otto-von-Guericke Universität Magdeburg und Hochschule Magdeburg-Stendal, Juni 2013 [11] Morgan H. P., Gardner, J. P.; Design principles for smoke ventilation in enclosed shopping centres, Fire Research Station Building Research Establishment Garston, Watford,

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