WÄ Technischer Bericht vfdb TB 04-01 November 2013 Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes herausgegeben von Dietmar Hosser 3., überarbeitete und ergänzte Auflage November 2013 Technisch-Wissenschaftlicher Beirat (TWB) der Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.v. Postfach 1231, 48338 Altenberge (vfdb)
INHALTSVERZEICHNIS Seite Vorbemerkung 9 1 Konzept und Anwendung des Leitfadens 11 1.1 Konzept und Aufbau 11 1.2 Grundsätzliche Vorgehensweise bei der Anwendung 11 1.3 Qualitative Analyse 12 1.4 Quantitative Analyse 13 1.5 Vergleich der Ergebnisse mit den Anforderungen 14 1.6 Darstellung und Interpretation der Ergebnisse 15 2 Erfassung des Gebäudes 17 2.1 Allgemeines 17 2.2 Gebäudestruktur 17 2.3 Gebäudeinhalt 18 2.4 Brandschutztechnische Infrastruktur 18 2.5 Umgebungseinflüsse 19 2.6 Nutzer 20 3 Schutzziele, funktionale Anforderungen und Leistungskriterien 21 3.1 Allgemeines 21 3.2 Zusammenhang zwischen Brandrisiken, Brandszenarien und Schutzzielen 22 3.3 Schutzziele 24 3.3.1 Allgemeine Schutzziele 24 3.3.2 Öffentlich-rechtliche Schutzziele und daraus ableitbare funktionale Anforderungen 25 3.4 Weitergehende Schutzziele 29 3.5 Erfüllung funktionaler Anforderungen durch Einhaltung von Leistungskriterien 30 3.5.1 Definition der Schutzziele durch Technische Regeln 30 3.5.2 Konkrete Anforderungen in den Bauvorschriften 30 3.5.3 Verknüpfung von Schutzzielen, Nachweisen und Leistungskriterien 31 3.6 Hinweise zum Sicherheitsniveau bei Nachweisen mit Hilfe des Leitfadens 34 3.7 Literatur 35 4 Brandszenarien und Bemessungsbrände 37 4.1 Einleitung 37 4.2 Bemessungsbrandszenarien 38 4.2.1 Allgemeines 38 4.2.2 Grundsätze zur Identifizierung der maßgeblichen Bemessungsbrandszenarien 40 4.2.3 Bemessungsbrandszenarien für die Benutzbarkeit der Rettungswege 44 4.2.4 Bemessungsbrandszenarien für die Fremdrettung durch die Feuerwehr 44 4.2.5 Bemessungsbrandszenarien für die Brandbekämpfung durch die Feuerwehr 45 4.2.6 Bemessungsbrandszenarien für die Bauteil- bzw. Tragwerksbemessung 45 4.2.7 Brandszenarien zur sachschutztechnischen Risikobewertung 46 4.2.8 Sonderfragen 47 4.2.8.1 Lokale Brände (Begrenzung der Brandausbreitung) 47 4.3 Bemessungsbrände 48 4.3.1 Der Brandverlauf und Grundsätze seiner Modellierung 48 4.3.1.1 Allgemeines 48 4.3.1.2 Wärmefreisetzungsrate 50 4.3.1.3 Bemessungsbrände aufgrund von objektspezifischen Brandversuchen 51 vfdb TB 04-01 (2013-11) Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes
4.3.1.4 Bemessungsbrände durch unmittelbare Vorgabe von Brandeinwirkungen 51 4.3.2.5 Brände einzelner Gegenstände 51 4.3.2 Ansätze für Bemessungsbrände 52 4.3.2.1 t2-modell für die Brandentwicklungsphase 52 4.3.2.2 Geometrisches Modell für die Brandentwicklungsphase 55 4.3.2.3 Umrechnung des t2-modells in das geometrische Modell 58 4.3.2.4 Beschreibung der Vollbrandphase 59 4.3.3 Normativ geregelte Bemessungsbrände 61 4.3.3.1 Allgemeines 61 4.3.3.2 Bemessungsbrände nach der Schwelbrandkurve 61 4.3.3.3 Bemessungsbrände für die Vollbrandphase 61 4.3.3.4 Vereinfachtes Naturbrandmodell für die Bauteilbemessung 62 4.3.4 Flashover 65 4.3.5 Objektspezifische Bemessungsbrände für kleine Brandobjekte 67 4.3.6 Wärmestrahlung aus dem Plume und der Heißgasschicht 67 4.3.7 Einfluss von Löschvorgängen auf den Brandverlauf 68 4.3.8 Darstellung der Bemessungsbrände in Programmcodes 69 4.4 Literatur 70 Anhang zu Kapitel 4 74 A4.1 Vorbemerkung 74 A4.2 Orientierungswerte für die Festlegung von Bemessungsbränden 75 5 Modelle für die Brandsimulation 87 5.1 Kapitelüberblick und Zielsetzung der Brandmodellierung 87 5.1.1 Kapitelüberblick 87 5.1.2 Zielsetzung der Brandmodellierung 87 5.2 Überblick über die verfügbaren Brandmodelltypen 88 5.2.1 Einleitung 88 5.2.2 Mathematische Modelle 88 5.2.3 Physikalische Modelle 90 5.2.4 Grundlegende Vorgaben 90 5.3 Beschreibung der mathematischen Modelle 91 5.3.1 Allgemeines 91 5.3.2 Empirische Korrelationen 93 5.3.3 Vollbrandmodelle 94 5.3.3 Zonenmodelle 98 5.3.4 Feldmodelle (CFD) 102 5.4 Beschreibung der Physikalischen Modelle 107 5.4.1 Allgemeines 107 5.4.2 Der Begriff der Ähnlichkeit 108 5.4.2.1 Bewegungsgleichungen und abgeleitete Größen 109 5.4.2.2 Energiegleichungen und abgeleitete Größen 110 5.4.3 Eigenschaften des Plumes und die Archimedeszahl 110 5.4.4 Abbildungsbereich und Abbildungsregeln 111 5.4.5 Hinweise für die Modellierung, Modellmaßstab und Modellgestaltung 112 5.4.6 Besonderheiten bei einzelnen Modelltypen 113 5.4.6.1 Der maßstäblich verkleinerte Brand mit identischer Temperaturabbildung 113 5.4.6.2 Versuche im Maßstab 1:1 (Objektgebundene Versuche) 114 5.4.6.3 Besonderheiten bei Windkanaluntersuchungen 115 4/419 Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes vfdb TB 04-01 (2013-11)
5.4.7 Durchgeführte Originalbrandversuche und ihre Modellierung 115 5.4.8 Zusammenfassung 116 5.5 Kriterien für die Modellbewertung 120 5.5.1 Allgemeines 120 5.5.2 Typische Anwendungsfälle und Vergleichsrechnungen 122 5.5.2.1 Vorbemerkungen 122 5.5.2.2 Plume-Temperatur und Ceiling-Jet 122 5.5.2.3 Beispiele und Experimente für Vergleichsrechnungen 126 5.6 Modellanwendung 134 5.6.1 Auswahl der Szenarien 134 5.6.2 Auswahl des Modelltyps 135 5.6.3 Darstellung besonderer Bemessungsbrände in den mathematischen Modellen 138 5.6.3.1 Punkt- und Flächenquellen 138 5.6.3.2 Räumlich ausgedehnte Brände 138 5.6.3.3 Volumenquellen 138 5.6.3.4 Thermikstrahlen 139 5.6.3.5 Vereinfachter Ansatz zur Verbrennungsmodellierung 139 5.6.4 Interpretation der Ergebnisse 139 5.6.5 Anforderungen an die Dokumentation 140 5.7 Literatur 141 Anhang zu Kapitel 5 146 A5.1 Verbrennungsmodelle 146 A5.1.1 Allgemeines 146 A5.1.2 Pyrolyse brennbarer Stoffe 147 A5.1.3 Brandentstehung: Zündenergie und Zündinitial 148 A5.2 Modellierung der Flammen und des Rauchgasplumes 149 A5.2.1 Allgemeines 149 A5.2.2 CeilingJet 152 A5.2.3 Plume-Temperaturen 153 6 Brandschutztechnische Nachweise von Bauteilen und Tragwerken 163 6.1 Einleitung 163 6.2 Nachweise nach den Brandschutzteilen der Eurocodes 165 6.2.1 Allgemeines 165 6.2.2 Nationale Anhänge (NA) 166 6.2.3 Bauaufsichtliche Einführung 166 6.2.4 Tabellarische Bemessungsverfahren 166 6.2.5 Vereinfachte Rechenverfahren 167 6.2.6 Allgemeine Rechenverfahren 174 6.2.6.1 Allgemeines 174 6.2.6.2 Einwirkungen für die Temperaturberechnung 175 6.2.6.3 Thermische Analyse 180 6.2.6.4 Mechanische Einwirkungen 183 6.2.6.5 Mechanische Analyse 185 6.2.6.6 Versagenskriterien 189 6.2.6.7 Abnehmende Bauteiltemperaturen 191 6.2.6.8 Hochfester Beton 196 6.2.6.9 Hochfester Bewehrungsstahl 198 6.2.6.10 Hochfester Baustahl 198 vfdb TB 04-01 (2013-11) Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes 5/419
6.3 Betonabplatzungen 199 6.4 Anwendungshilfen 200 6.4.1 Allgemeines 200 6.4.2 Eurocode 2 Teil 1-2 200 6.4.3 Eurocode 3 Teil 1-2 202 6.4.4 Eurocode 4 Teil 1-2 203 6.4.5 Eurocode 5 Teil 1-2 204 6.5 Beurteilung von Rechenverfahren und Prüfung der Nachweise 205 6.5.1 Allgemeines 205 6.5.2 Programmverifikation 206 6.5.3 Validierung 206 6.5.4 Testen durch Eichbeispiele 206 6.5.5 Grenzabweichungen 207 6.5.6 Beispielsammlung im Nationalen Anhang 207 6.6 Nachweise nach DIN 4102 Teil 4 (Restnorm) 209 6.6.1 Allgemeines 209 6.6.2 Inhalt der Restnorm 209 6.7 Industriebau 211 6.7.1 Nachweis nach DIN 18230 Teil 1 211 6.7.2 Nachweis nach DIN 18230 Teil 4 213 6.8 Zusammenfassung 214 6.9 Literatur 215 7 Anlagentechnischer und abwehrender Brandschutz 219 7.1 Allgemeines 219 7.2 Brandmeldeanlagen 221 7.2.1 Arten von automatischen Brandmeldeanlagen 221 7.2.2 Wirkung von Brandmeldeanlagen auf das Brandszenario 222 7.2.3 Zuverlässigkeit von Brandmeldeanlagen 224 7.2.4 Kompensation baulicher Brandschutzmaßnahmen durch Brandmeldeanlagen 226 7.3 Löschanlagen 226 7.3.1 Arten von Löschanlagen 226 7.3.2 Wirkung von Löschanlagen auf das Brandszenario 228 7.3.3 Zuverlässigkeit von Löschanlagen 231 7.3.4 Kompensation baulicher Brandschutzmaßnahmen durch Löschanlagen 233 7.4 Rauch- und Wärmeabzugsanlagen 234 7.4.1 Allgemeines 234 7.4.2 Wirkung von Rauch- und Wärmeabzügen 235 7.4.3 Zuverlässigkeit von RWA 236 7.4.4 Kompensation baulicher Brandschutzmaßnahmen durch RWA 236 7.5 Abwehrender Brandschutz 236 7.5.1 Wirkung von Löscharbeiten auf das Brandszenario 236 7.5.1.1 Allgemeines 236 7.5.1.2 Hilfsfrist 239 7.5.1.3 Eingreifzeit 239 7.5.1.4 Vereinfachtes Löschmodell 241 7.5.2 Zuverlässigkeit von Löschmaßnahmen 243 7.5.3 Kompensation baulicher Brandschutzmaßnahmen durch besonders wirksame Löschmaßnahmen 244 7.6 Literatur 245 6/419 Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes vfdb TB 04-01 (2013-11)
8 Personensicherheit in Rettungswegen 247 8.1 Nachweiskriterien für die Personensicherheit 247 8.2 Lichttrübende Wirkung des Rauches 248 8.3 Erkennungsweite von Sicherheitszeichen 249 8.4 Die toxische Wirkung von Brandgasen 252 8.5 Die thermische Wirkung von Rauchgasen 256 8.6 Anhaltswerte zur Beurteilung der Personensicherheit 258 8.7 Rauchausbeuten 8.8 Literatur 262 265 9 Personenstromanalyse mit rechnerischen Nachweisverfahren 269 9.1 Einleitung 269 9.2 Berechnung von Räumungszeiten 269 9.3 Reaktionszeiten 270 9.4 Personenstrommodelle 273 9.4.1 Abschätzung von Räumungszeiten durch Handrechnungen 274 9.4.2 Dynamische Strömungsmodelle und Netzwerkmodelle 277 9.4.3 Individualmodelle 278 9.4.4 Modellauswahl und Anwendungsgrundsätze 279 9.4.5 Validierung 281 9.5 Verhaltensaspekte 282 9.5.1 Wahl des Fluchtweges 282 9.5.2 Verhalten bei unmittelbarer Gefahr 283 9.6 Personenzahl 284 9.7 Literatur 286 10 Risikomethoden und Sicherheitskonzept 289 10.1 Allgemeines 289 10.2 Semi-quantitative Risikomethoden 290 10.2.1 Einführung 290 10.2.2 Index-Methode 292 10.2.3 Ermittlung von Wertigkeiten 294 10.2.4 Fiktives Anwendungsbeispiel 294 10.3 Quantitative Risikomethoden 297 10.3.1 Einführung 297 10.3.2 Ereignisbaumanalyse 298 10.3.3 Durchführung einer quantitativen Risikoanalyse 301 10.4 Sicherheitskonzept für den konstruktiven Brandschutz 303 10.4.1 Voraussetzungen und Grundlagen 303 10.4.2 Auftretenswahrscheinlichkeit eines Schadenfeuers 305 10.4.3 Erforderliche Zuverlässigkeit der Konstruktion im Brandfall 308 10.4.4 Teilsicherheitsbeiwerte für die Brandschutzbemessung der Konstruktion 309 10.4.5 Berücksichtigung unterschiedlicher Brandszenarien 312 10.5 Sicherheitskonzept für Nachweise der Entfluchtung im Brandfall 313 10.5.1 Grundlagen für leistungsorientierte Nachweise 313 10.5.2 Brand- und Entfluchtungssimulation 314 10.5.3 Leistungskriterien 315 10.5.4 Hierarchiemodell für Entfluchtungsnachweise 316 10.5.5 Bemessungsbrandszenarien und Bemessungsbrände 317 10.5.6 Probabilistischer Ansatz 318 vfdb TB 04-01 (2013-11) Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes 7/419
Beurteilung Inhaltsverzeichnis 10.5.7 Beispiel für Nachweise der Ebene IIb (einfache Modelle) 319 10.5.8 Einfluss von Brandschutzsystemen am Beispiel einer BMA 321 10.5.9 Beispiel für Nachweise der Ebene III (komplexe Modelle) 322 10.5.10 Leistungskriterien und Zuverlässigkeitsanforderungen 324 10.6 Ausblick 325 10.7 Literatur 327 Anhang 1 Begriffe, Symbole und Einheiten 331 A1.1 Begriffserläuterungen 331 A1.2 Symbole und Einheiten 338 Anhang 2 Anwendungsbeispiel 347 A2.1 Einleitung 347 A2.2 Schutzinteressen und Schutzziele 350 A2.3 Brandszenarien und Bemessungsbrände 351 A2.3.1 Allgemeines 351 A2.3.2 Bemessungsbrandszenario 1 Beurteilung der Tragkonstruktion - 351 A2.3.2.1 Vorgehensweise 351 A2.3.2.2 Auftretenswahrscheinlichkeit eines Schadenfeuers 352 A2.3.3 Bemessungsbrandszenario 2 - der Entfluchtung des Hörsaals 361 A2.3.3.1 Vorgehensweise 362 A2.3.3.2 Erforderliche Zuverlässigkeit für den Nachweis der Entfluchtung im Brandfall 362 A2.3.3.3 Sicherheitsbeiwerte für den Nachweis der Entfluchtung im Brandfall 363 A2.4 Ermittlung der Brandwirkungen für die Tragwerksbemessung 364 A2.4.1 Fragestellungen 364 A2.4.2 Auswahl des Modelltyp 365 A2.4.3 Durchgeführte Berechnungen 368 A2.4.4 Ausgewählte Ergebnisse 369 A2.4.5 Fazit zur Ermittlung der Brandwirkungen 371 A2.5 Brandschutzbemessung der Konstruktion 371 A2.5.1 Tragwerk und Einwirkungen 371 A2.5.2 Materialgesetze 376 A2.5.3 A2.5.4 Bemessung der Konstruktion mit dem vereinfachten Rechenverfahren nach Eurocode 3 Teil 1-2 378 Bemessung der Konstruktion mit dem allgemeinen Rechenverfahren nach Eurocode 3 Teil 1-2 386 A2.5.4.1 Ermittlung der Bauteiltemperaturen 386 A2.5.4.2 Tragwerksanalyse 389 A2.6 Nachweise der Personensicherheit 395 A2.6.1 Zielsetzung 395 A2.6.2 Kriterien zum Nachweis der Schutzzielerfüllung 395 A2.6.3 Brandszenarien und Simulation 396 A2.6.4 Modellierung des Entfluchtungsverlaufs 399 A2.6.4.1 Auslegungsgrundlagen 399 A2.6.4.2 Vorgehensweise 401 A2.6.4.3 Berechnung der Fluchtzeiten 402 A2.5.3.4 Ergebnisvergleich 415 A2.5.4 Schlussbetrachtung 416 A2.6 Literatur zu Anhang 2 417 8/419 Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes vfdb TB 04-01 (2013-11)