fbb Fachbereich Bauingenieurwesen Prof. Dr.-Ing. Jürgen Spittank Holzbau Brandschutz Einführung Brandschutz I - II Prof.Dr.-Ing. Ulrich Dietmann Brandschutz I WS 2016/2017 1
Vorlesungen an der h_da (je 4 SWS) Brandschutz I Brandschutzplanung für Regelbauten - Brandschutzanforderungen der HBO - Abgrenzung Regelbauten/Sonderbauten - Exkursion Feuerwehr Darmstadt Brandschutz II Brandschutzplanung für Sonderbauten - Anlagentechnischer Brandschutz - Beherbergungsstätten, Versammlungsstätten, Verkaufsstätten, Hochhäuser etc. - Betrieblicher Brandschutz - Exkursion Brandschutzkonzept (Praxis) 14 U-Bahn Messe Frankfurt / M. - Brand in U-Bahn unterhalb Lichtkegel II T [ C] Brandschutz III Ingenieurmethoden im Brandschutz - Anwendungsgrundsätze - Entfluchtungssimulationen - Brand- und Rauchausbreitungssimulationen z [m] 12 10 8 6 4 2 0-10 -5 0 5 10 y [m] Gastemperatur T: x=25,75 m; t=600,0s 250 240 228 217 206 195 184 174 163 151 140 129 118 107 97 85 74 63 52 41 30 2
Hinweise zum Fachplaner Brandschutz Voraussetzungen zum Sachkundenachweis bei der Ingenieurkammer Hessen für die Anerkennung zum Fachplaner Brandschutz: - Erfolgreiche Teilnahme an den Modulen Brandschutz I und II (h_da) - Anwesenheit gem. Nachweis (max. 3-maliges Fehlen je Semester) - Jeweilige Klausur bestanden (Note mind. 4,0) - Jeweilige Hausübungen bestanden - Jeweilige Pflicht-Exkursionen teilgenommen und: - Zweijähre Berufserfahrung nach Abschluß des Studiums Näheres siehe Infos zur Vorlesungsreihe Brandschutz Stand 2014 3
Hinweise zur Literatur für die Vorlesung Brandschutz I: - HBO, HE-HBO, Ga-VO, Feu-VO, Liste TBB Brandschutz II: - Zzgl. behandelte Sonderbauvorschriften Allgemeine Hinweise: - Aktuelle Vorschriften unter www.wirtschaft.hessen.de - Brandschutz im Bild (HBO 2008 zzgl. HBO 2011), Verlag Feuertrutz Achtung: Maßgeblich für die Klausur sind immer die Originaltexte der einschlägigen Rechtsvorschriften nicht die Vorlesungsscripte! 4
Berufsfelder im Vorbeugenden Brandschutz Bauunternehmen/Architekturbüros - Fachplaner Brandschutz; Nachweisberechtigte Großunternehmen - Fachingenieur Bauabteilung - Werkfeuerwehr Sachverständigenwesen - Sachverständigenbüros - ö.b.u.v. Sachverständiger - Prüfsachverständiger Feuerwehr - Brandschutzdienststellen der Landkreise - Berufsfeuerwehren in Städten Behörden - Bauaufsichten /Hochbauämter Sachversicherer - Brandschutzingenieure in der Schadenverhütung 5
Brandschutz in den Lebensphasen von Gebäuden Entwicklung / Planung Brandschutzkonzepte Machbarkeitsstudien Transaktion Brandschutzbewertungen im Bestand Techn.Stärken/Schwächen Analyse (=Technical Due Diligence) Bau (Neubau / Sanierung) Ausführungsplanung Ausschreibung Bauüberwachung Mängelmanagement Betrieb Wiederkehrende Prüfungen Brandschutz Bewertungen im Bestand Sicherheitskonzepte Räumungskonzepte Schulungen Brandschutzbeauftragte 6
Brandschutzprobleme der Vergangenheit 7
Früher: Schutzziel Baulicher Brandschutz Philosophie des Baulichen Brandschutzes Bauliche Trennung Räumliche Trennung Brandübertragung Brandausbreitung Brandentstehung 8
Brandschutz Übersicht und Gliederung Brandschutz Vorbeugender Brandschutz Abwehrender Brandschutz Baulicher Brandschutz Baustoffe Bauteile Feuerwiderstand Flucht- Rettungswege etc. Anlagentechnischer Brandschutz Brandmeldeanlagen Löschanlagen Rauchabzugsanlagen Sicherheitsstromvers. Sicherheitsbeleuchtg. etc,. Betrieblicher Brandschutz Brandverhütung Brandschutzbeauftragter Brandschutzordnung etc. Feuerwehren Menschenrettung Brandbekämpfung Löschwasserversorgung Aufstell-Bewegungsflächen 9
Qualitative Rauch- und Temperaturentwicklung bei typischem Brandverhalten Entstehungsbrand Zündphase voll entwickelter Brand Schwelbrandphase Erwärmungsphase Abkühlungsphase Temperatur- und Rauchentwicklung Rauch Temperatur Temperatur Rauch flash over Branddauer 10
Heute: Schutzzieldefinition nach Phasen der Rauch- und Brandausbreitung Fluchtwege für Nutzer begehbar Atemluft zur Selbstrettung Branderkennung Rettungswege für Rettungskräfte nutzbar Sicht zur Personensuche Rauchableitung Angriffswege für die Feuerwehr nutzbar Sicht zur Brandbekämpfung Feuerwiderstandsdauer von Bauteilen Selbstrettung Nutzer Fremdrettung Feuerwehr Brandbekämpfung Feuerwehr < 10 min 10~20 min ~ 15 min 30 min Räumungsdauer Rettungsfrist Brandbekämpfungsfrist Phase I Phase II Phase III 11
Brandentstehung und Brandverlauf 12
Die Verbrennung - Definition Bei einer Verbrennung verbinden sich unter Wärmeabgabe und Flammen- und/oder Gluterscheinung brennbare Stoffe mit Sauerstoff. Bei dieser chemischen Reaktion entstehen aus den Ausgangsstoffen (brennbarer Stoff und Sauerstoff ) immer neue Stoffe mit oft völlig anderen chemischen und physikalischen Eigenschaften. 13
Die vier Voraussetzungen der Verbrennung Richtiges Mengenverhältnis an der Grenzfläche zwischen brennbarem Stoff und dem Oxidationsmittel Brennstoff - Gase - Flüssigkeiten - Feststoffe Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel Zündquelle und Katalysatoren 14
Brennbare Stoffe Beispiele für brennbare Stoffe : z.b. Holz, Papier, Baumwolle, Kunststoffe, Mineralöle, Benzin, Gummi, Acetylen, Aluminium, Magnesium, usw. In den Aggregatzuständen: fest, flüssig, gasförmig 15
Sauerstoff Sauerstoff ist in der Umgebungsluft mit einem Volumenanteil von 21 % vorhanden. Die anderen in der Luft vorhandenen Gase (Stickstoff 78 Vol%, Kohlenstoffdioxid ca. 0,04 Vol% und ein geringer Anteil Edelgase) sind für den Verbrennungsvorgang ohne Bedeutung. Nur bei einer Verbindung eines brennbaren Stoffes mit Sauerstoff entstehen die Feuererscheinungen mit Flamme, Glut und großer Wärmefreisetzung. Je höher der Sauerstoffgehalt der Luft, um so schneller der Verbrennungsvorgang. 16
Mengenverhältnis Alle chemischen Reaktionen und damit auch alle Verbrennungen, laufen nur innerhalb bestimmter Mischungsverhältnisse ab. Brennbare Dämpfe und Gase sind nur innerhalb bestimmter Zündbereiche entflammbar (z.b. Benzindämpfe zwischen 0,6-8 Vol% ). Bei festen brennbaren Stoffen bestimmt die Größe der Oberfläche des brennbaren Stoffes, die mit Luftsauerstoff in Kontakt kommt, das Mischungsverhältnis und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit. 17
Zündenergie Um einen Verbrennungsvorgang zu starten, muß außer den drei Voraussetzungen (brennbarer Stoff, richtiges Mischungsverhältnis und Sauerstoff), auch noch eine Zündquelle (Zündenergie) vorhanden sein. Ohne eine ausreichende Zündenergie ist eine Verbrennung nicht möglich. Eine Zündquelle muß nicht unbedingt die uns bekannte offene Flamme sein, es können vielmehr auch eine heiße Oberfläche oder heiße Gase sein! 18
Entzündbarkeit von brennbaren Stoffen ist abhängig von: der Art des Stoffes, Chemische Zusammensetzung Reinheit den Eigenschaften des Stoffes, Zündtemperatur dem Zustand des Stoffes, Aggregatzustand spezifische Oberfläche Feuchtigkeit Temperatur Druck Explosionsgrenzen Flammpunkt Fähigkeit, bei Erwärmung Gase oder Dämpfe freizusetzen Heizwert (Verbrennungswärme) Abbrandrate (Flammenausbreitungsgeschwindigkeit) Sauerstoffindex der Zufuhr von Sauerstoff, Sauerstoffkonzentration Durchmischung der Art der Einwirkdauer, der Zündquelle und der Wirkung der Katalysatoren. 19
Entzündbarkeit von brennbaren festen Stoffen Feste Brennstoffe Glimm-temperatur C Entzündungstemperatur C Braunkohle Holz Papier Baumwolle 160 200 240 250 420 460 460 480 Glimmtemperatur: Temperatur, bei der der Glimmbrand, z.b. durch heiße Oberfläche eintritt Entzündungstemperatur: Temperatur, bei der eine Verbrennung mit offener Flamme und selbständigen Weiterbrennen eintritt 20
Entzündbarkeit von brennbaren flüssigen Stoffen Flüssige Brennstoffe Flammpunkt C Zündtemperatur C Klasse nach VbF (alt) Heizöl Benzin Benzol Alkohol 55-20 bis 55-11 12 220 240 bis 280 555 425 A III AI/AII AI B Flammpunkt (einer Flüssigkeit): Temperatur, bei der die Entwicklung eines entflammbaren Dampf-/Luft-Gemisches einsetzt, das durch Fremdzündung zu brennen beginnt Zündtemperatur (eines Staubes, Dampfes oder Gases): Temperatur, einer erhitzten Oberfläche, bei der die Entzündung und das Weiterbrennen des Brennstoff-Luftgemisches eintritt 21
Entzündbarkeit von brennbaren gasförmigen Stoffen Gasförmige Brennstoffe Zünd-temperatur C Acetylen Butan Methan Wasserstoff 305 365 595 560 Zündtemperatur (eines Staubes, Dampfes oder Gases): Temperatur, einer erhitzten Oberfläche, bei der die Entzündung und das Weiterbrennen des Brennstoff-Luftgemisches eintritt 22
Arten der Verbrennung Feste Stoffe Flüssigkeiten Dämpfe (Nebel) (Aerosole) (Stäube) Glutbildung Flammen Flammenbildung 23
Einteilung brennbarer Stoffe nach Brandklassen (DIN EN 2) Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen; z.b. Holz, Papier,Stroh, Kohle, Textilien, Autoreifen Brände von flüssigen oder flüssig werdenden Stoffen; z.b. Benzin, Lacke, Harze, Wachse, Teer, Äther, Alkohole, Kunststoffe Brände von Gasen; z.b. Methan, Propan, Wasserstoff, Acetylen, Stadtgas Brände von Metall; z.b. Aluminium, Magnesium, Lithium, Natrium, Kalium und deren Legierung Brände von Speiseölen/ - fetten (pflanzliche oder tierische Öle und Fette in Frittierund Fettbackgeräten und anderen Kücheneinrichtungen und geräten Speiseöle und Speisefette 24
Gefahren durch Feuer und Rauch 25
Gefahren durch Feuer und Rauch Brandgefahren für Mensch Tier Sachwerte Umwelt - Gas Atemgifte - Dämpfe Korrosion - Ruß Niederschlag Rauch durch Brand - Ausbreitung Zerstörung - Verbrennung Verletzung - Hitze Zerstörung/ Verletzung Flammen 26
Qualitative Rauch- und Temperaturentwicklung bei typischem Brandverhalten Entstehungsbrand Zündphase voll entwickelter Brand Schwelbrandphase Erwärmungsphase Abkühlungsphase Temperatur- und Rauchentwicklung Rauch Temperatur Temperatur Rauch flash over Branddauer 27
Schutzziele in typischen Phasen der Rauch + Brandausbreitung Fluchtwege für Nutzer begehbar Atemluft Branderkennung Selbstrettung Nutzer Rettungswege für Rettungskräfte nutzbar Sicht zur Personensuche Rauchableitung Fremdrettung Feuerwehr Angriffswege für die Feuerwehr nutzbar Sicht zur Brandbekämpfung Feuerwiderstandsdauer von Bauteilen Brandbekämpfung Feuerwehr < 10 min 10~20 min ~ 15 min 30 min Räumungsdauer Rettungsfrist Brandbekämpfungsfrist Phase I Phase II Phase III 28
Gefährdung durch Brandrauch in den Phasen der Brandentwicklung 1.) Sichtbehinderung 2.) Toxische Gefahren 3.) Temperatur/ Druck Flash-over Backdraft 4.) Rückstände 29
Akut schädigende Bestandteile des Brandrauches Kohlenmonoxid (CO) Giftig, brennbar, explosibel, Verhinderung Sauerstofftransport im Blutkreislauf Kohlendioxid (CO 2 ) erstickend, regt Atemzentrum an, damit vermehrte CO Aufnahme, lähmt das Atemzentrum ab 7 Vol% Blausäure (HCN) giftig, verhindert Sauerstoffaufnahme der Zellen 30
Brandrauch- Akzeptanzgrenzen Theoretische Grenzwerte aus der Literatur (vfdb Referat 15) Grenzwert Lufttemperatur < 65 C CO-Konzentration < 1400 ppm CO 2 -Konzentration < 6 Vol.% Sauerstoff > 12 Vol.% Höhe der raucharmen Schicht > 1,5 m Sichtweite > 10 m Angenommen: Ein Zeitraum von 30 Minuten wird durch eine normale Person schadlos überstanden 31
Rauchgasdurchzündung ( Flash-Over ) Das unter der Decke angesammelte Kohlenmonoxid- Luftgemisch verbrennt mit hoher Geschwindigkeit; alle brennbaren Stoffe im Raum stehen schlagartig in Flammen 32
Rauchgasexplosion ( Backdraft ) Explosionsartige Verbrennung des durchmischten Kohlenmonoxid- Luftgemisches; es entstehen hohe Drücke, die zur Zerstörung des Gebäudes führen können 33
Gefahren des Brandrauches Brandherd und Ort der größten Gefahr können weit auseinander liegen! 34
Ausbreitung von Brandrauch - Verhinderung Maßnahmen: Verhinderung der Brand-/Rauchentstehung (z. B. Baulich - Betrieblich - Organisatorische Maßnahmen) Verhinderung der Rauchausbreitung (z. B. Baulich - Rauchabschnitte, Anlagentechnisch - Rauchschürzen) Rauchableitung zur Unterstützung der Brandbekämpfung (z. B. Öffnungen) Raucharme Schichten zur Verlängerung der Selbstrettungsphase (z. B. Rauchabzugsanlagen) Rauchverdrängung zur Verhinderung des Eindringens von Rauch (z. B. Rauchschutzdruckanlagen) Alarmierung und Selbstrettung! 35
Löschwirkungen und Löschmittel 36
Löschwirkungen gegen Die stofflichen Voraussetzungen Die energetischen Voraussetzungen durch Ersticken Abkühlen Inhibition 37
Ersticken Ersticken heißt, Löschen durch Stören des Mengenverhältnisses zwischen brennbarem Stoff und Sauerstoff. durch: Verringerung der Sauerstoffkonzentration von 21 Vol.-% unter 15 Vol.-% Abmagern des brennbaren Stoffes Vollständige Trennung des brennbaren Stoffes von Sauerstoff Löschmittel: Kohlendioxid, Schaum, ABC-Pulver, D-Pulver 38
Abkühlen Abkühlen heißt, Löschen durch Stören der energetischen Voraussetzung. durch: Erwärmung des Kühlmittels (keine Änderung des Aggregatzustandes) Schmelzen oder Verdampfen des Kühlmittels (Änderung des Aggregatzustandes) Sublimieren des Kühlmittels (Überspringen des flüssigen Aggregatzustandes) Löschmittel: Wasser, Schwer- und Mittelschaum 39
Inhibition Inhibierende Wirkung bedeutet, Unterbrechen der chemischen Reaktion durch Inhibitoren. Homogene Inhibition (Chemische Bindung der Radikalen, die an der Reaktion beteiligt sind, an die Radikale im Löschmittel) Heterogene Inhibition (Energieverminderung und -bindung der Radikalen) Löschmittel: ABC-Pulver, BC-Pulver 40
Einteilung brennbarer Stoffe nach Brandklassen (DIN EN 2) Brände fester Stoffe, hauptsächlich organischer Natur, die normalerweise unter Glutbildung verbrennen; z.b. Holz, Papier,Stroh, Kohle, Textilien, Autoreifen Brände von flüssigen oder flüssig werdenden Stoffen; z.b. Benzin, Lacke, Harze, Wachse, Teer, Äther, Alkohole, Kunststoffe Brände von Gasen; z.b. Methan, Propan, Wasserstoff, Acetylen, Stadtgas Brände von Metall; z.b. Aluminium, Magnesium, Lithium, Natrium, Kalium und deren Legierung Brände von Speiseölen/ - fetten (pflanzliche oder tierische Öle und Fette in Frittierund Fettbackgeräten und anderen Kücheneinrichtungen und geräten Speiseöle und Speisefette 41
Eignung von Löschmitteln Übersicht über den Anwendungsbereich von Löschmitteln 42
Löschmittel Wasser Vorteile: Größte spezifische Kühlleistung aller Löschmittel Meist reichlich vorhanden Einfache Förderung und Transport Größte Wurfweite und Wurfhöhe aller Löschmittel Ungiftig und chemisch weitgehend neutral (ph-wert» 7) Anwendung als Sprüh- oder Vollstrahl bzw. als Wassernebel Nachteile: Wasser gefriert bei Temperaturen unter 0 C => nicht mehr förderbar => Vergrößerung des Volumen um ca. 10 % (Zerstörung der Wasserbehälter) Nicht für alle Brände einsetzbar Wasserschäden können entstehen durch - falsche oder fehlerhafte Ausrüstung - falsche oder ungenügende Ausbildung - falsche Einsatztaktik 43
Wasser ist nur bedingt anwendbar bei: Stoffen, die der Brandklasse B zugeordnet sind, Stoffen, die der Brandklasse C zugeordnet sind, Bränden in elektrischen Anlagen Vorhandensein von Säuren und Laugen Phosphorbränden Thermischer Zersetzung von Düngemitteln Ungelöschtem Kalk Staubbränden Koksbränden in geschlossenen Räumen Quellfähigen Stoffen Wasseraufsaugenden Stoffen 44
Löschmittel Schaum Komponenten des Schaumes: Wasser Luft Schaummittel Schaummittel: Proteinschaummittel, Fluorproteinschaummittel, Mehrbereichsschaummittel, polymerfilmbildende Schaummittel, wasserfilmbildende Schaummittel, Spezialschaummittel Einteilung der Luftschäume: Schwerschaum VZ bis 20 Mittelschaum VZ über 20 bis 200 Leichtschaum VZ über 200 VZ.. Verschäumungszahl ist das Verhältnis zwischen Flüssigkeitsvolumen (Wasser, Schaummittellösung) zu Schaumvolumen 45
Schwerschaum Löschwirkung: Trennen Abkühlen Anwendungsbereiche: Löschen von festen brennenden Stoffen Löschen von brennenden Flüssigkeiten Schutz von brandgefährdeten Objekten Landebahnbeschäumung 46
Leichtschaum Löschwirkung: Verdrängen des Sauerstoffes Trennen Anwendungsbereiche: Aufgrund der geringen Dichte nur in geschlossenen Räumen einsetzbar (Schnelles Fluten) 47
Löschmittel Pulver Allgemeine Eigenschaften Nicht giftig Unschädlich Lange Haltbarkeit Gute Förderfähigkeit Isolationsfähigkeit Gute Löscheigenschaften 48
Löschmittel Pulver Vorteile: Schlagartige Löschwirkung bei flüssigen und gasförmigen Stoffen Für Menschen, Tiere und Pflanzen weitgehend ungefährlich Nachteile: Schäden durch Verschmutzung Gefahr der Rückzündung Sichtbehinderung durch Pulverwolke Sinterschicht ist elektrisch leitfähig 49
Löschmittel Kohlendioxid Ist ein farb-, geschmack- und geruchloses Gas. Ist Reaktionsendprodukt einer vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsprodukten. Hinterlässt keine Rückstände. Ist elektrisch nicht leitend. Löschwirkung Ersticken (Verringerung des Sauerstoffanteils in der Umluft) Einsatzbereiche Laboratorien, Nahrungsmittellager, Härtebäder, elektrische Anlagen Nachteile Im Freien fast immer wirkungslos In geschlossenen Räumen nur unter Vorbehalt anwendbar Gefahr der Rückzündung Löschwirkung sinkt mit zunehmender Entfernung Kälteschock möglich Bei hohen Temperaturen sind chemische Reaktionen mit dem brennbaren Stoff möglich. 50
fbb Fachbereich Bauingenieurwesen Prof. Dr.-Ing. Jürgen Spittank Holzbau Brandschutz Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.- Ing. Ulrich Dietmann ulrich@prof-dietmann.de 51