Ingenieure für Brandschutz Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume Schutzzielorientiertes Konzept bei Druckbelüftungsanlagen von Dipl.-Ing. Karsten Foth und Martin Steinert, M.Eng. (hhpberlin) und Prof. Gerd Kaellander, öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Lüftungs- und Klimaanlagen, sowie bauaufsichtlich anerkannter Sachverständiger für RWA- Anlagen und maschinelle Entrauchungsanlagen
Schutzzielorientiertes Konzept bei Druckbelüftungsanlagen Autoren Prof. Gerd Kaellander Gerd Kaellander lehrt als Professor für Haustechnik, Brandschutz und CAD an der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) in Hildesheim. Er ist öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Lüftungs- und Klimaanlagen und bauaufsichtlich anerkannter Sachverständiger für RWA-Anlagen und maschinelle Entrauchungsanlagen. Dipl.-Ing. Karsten Foth Karsten Foth studierte Bauingenieurwesen an den Technischen Universitäten in Hamburg-Harburg und Braunschweig. Seit 2008 vertritt er hhpberlin als einer der geschäftsführenden Gesellschafter. Zu den Schwerpunkten seiner Arbeit zählen neben der Konzeptentwicklung für Sonder- und Bestandsbauten auch die strategische Weiterentwicklung des Unternehmens sowie das Personalmanagement. Martin Steinert, M. Eng. Martin Steinert studierte Umweltverfahrenstechnik an der Fachhochschule für Technik und Wirtschaft (FHTW) Berlin, bevor er ein Masterstudium im Bereich Verfahrenstechnik mit Schwerpunkt Strömungssimulation an der Technischen Fachhochschule (TFH) Berlin absolvierte. Seit 2007 gehört Herr Steinert als fester Mitarbeiter zum hhpberlin-team.
Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume RAUCHFREIHALTUNG INNENLIEGENDER SICHERHEITSTREPPENRÄUME Neue Wege in der Gebäude-Architektur erfordern auch ein neues, schutzzielorientiertes Konzept im Bereich der Druckbelüftungsanlagen Einleitung Die Skylines unserer Städte werden zunehmend von Hochhäusern geprägt. Diese stellen aufgrund ihrer Gebäudehöhe spezielle Herausforderungen für den Brandschutz dar. Denn bricht ein Feuer in einem Hochhaus aus, gestalten sich nicht nur die Rettungs- und Löschmaßnahmen für die Feuerwehr schwieriger, auch die Flucht der anwesenden Personen wird aufgrund der Gebäudehöhe erschwert. Um das Schadensausmaß eines Brandes auf ein verantwortbares Maß zu reduzieren und Flüchtende, Feuerwehr sowie Helfer im Gefahrenfall bestmöglich zu schützen, müssen die baulichen Gegebenheiten bei Hochhäusern meist durch anlagentechnische Maßnahmen ergänzt bzw. kompensiert werden. Anlagentechnische Brandschutzmaßnahmen verhindern im Brandfall, dass das Feuer sich ausbreitet und ermöglichen dadurch die Durchführung von Rettungsmaßnahmen. Lüftungsanlagen beispielsweise sorgen für die Rauchfreihaltung von Rettungswegen, indem sie einen Überdruck im Treppenraum aufbauen. Dieser wirkt dem Brandraumdruck entgegen und verhindert so das Eindringen des Rauches. Zurzeit werden die baulichen Normen in Europa zusammengeführt, so dass auch die anzuwendenden Regelungen in Deutschland in Änderung begriffen sind. Hinzu kommt, dass die über 25 Jahre alte Muster- Hochhausrichtlinie von 1981 aktualisiert wurde. Dadurch werden auch die Anforderungen für Druckbelüftungsanlagen der Treppenräume neu definiert und die Lüftungstechnik zunehmend komplexer.
Schutzzielorientiertes Konzept bei Druckbelüftungsanlagen Bei der Planung einer Druckbelüftungsanlage nach Muster-Hochhausrichtlinie (Stand April 2008) besitzt die Erfüllung der Schutzziele oberste Priorität. Vor diesem Hintergrund haben die Autoren ein Konzept erarbeitet, das positive Veränderungen mit sich bringt: Die Schutzziele lassen sich nicht nur sicherer und einfacher erfüllen sondern auch die Nachweise zur korrekten Funktionsweise bei klimatisch ungünstigen Bedingungen, die nach den aktuellen Verordnungen notwendig sind, können entfallen. Außerdem negiert das Konzept die Nachteile der bisherigen Druckbelüftungsanlagen. Abb. 1: Simulation der Rauchausbreitung Sichtweite im Schnitt Treppenraum Schleuse Flur (v.l.n.r.) Stand der Technik Wird bei einem Hochhaus aus architektonischen oder ökonomischen Gründen auf einen zweiten Rettungsweg verzichtet, muss der einzige Fluchtweg garantiert zu nutzen sein. In diesen so genannten Sicherheitstreppenraum darf weder Feuer noch Rauch eindringen. Sicherheitstreppenräume sind nach Muster-Hochhausrichtlinie auch dann herzustellen, wenn zwar zwei bauliche Rettungswege vorhanden sind, die Treppenräume aber als innenliegende Treppenräume konzipiert werden. 5
Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume Ein Brand im Treppenraum wird verhindert, indem dort Brandlasten ausgeschlossen werden. Die Rauchfreiheit kann auf zwei unterschiedlichen Wegen erreicht werden: Entweder baulich, indem der Sicherheitstreppenraum außenliegend geplant wird und nur über Balkone zu betreten ist, oder mit Hilfe von anlagentechnischen Maßnahmen. Meist wird die Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume dem technischen Stand entsprechend durch Druckbelüftungsanlagen gewährleistet. Die Funktion der Anlage hängt jedoch von mehreren Einflussfaktoren ab: z.b. vom Wetter (also Temperatur- und Luftfeuchteverhältnis zwischen innen und außen), von der Anzahl der gleichzeitig geöffneten Türen im Treppenraum und von der Lage des betroffenen Geschosses im Haus. Rauchschutzdruckanlagen erzeugen in dem zu schützenden Bereich, dem Treppenraum, einen Überdruck. Auf diese Weise soll das Eindringen von Brandrauch bei offenen Türen ins Geschoss hinein vermieden werden. Zwischen dem Treppenraum und dem Nutzungsbereich befindet sich ein Vorraum. Die Druckbelüftungsanlage muss dafür sorgen, dass zwischen der Nutzungseinheit und dem Vorraum eine Druckdifferenz (zuletzt 50 Pa +/- 10%) aufgebaut und konstant gehalten wird. Wird nun eine Tür z.b. während der Löschmaßnahmen der Feuerwehr geöffnet, kommt es aufgrund der Druckdifferenz zu einem Abströmen der Luft aus dem Vorraum in die Nutzung. Es muss nun sichergestellt werden, dass kein Rauch aus der betroffenen Nutzungseinheit in den geschützten Vorraum eindringen kann. Über die Definition einer Mindestluftgeschwindigkeit des Luftstroms durch die offene Tür wird die verrauchte Luft gehindert, aus der betroffenen Nutzungseinheit in den Vorraum auszuströmen. Da sich die Türen in der Regel in Fluchtrichtung, also in den Bereich höheren Drucks öffnen, muss zur normal benötigten Kraft zum Öffnen der Tür zusätzlich die, durch den Druckunterschied auf die Tür lastende überwunden werden. Die resultierende Kraft, die zum Öffnen der Türen aufgebracht werden muss, darf dabei 100 N nicht überschreiten. Bei einer üblichen Türblattfläche von ca. 2,5m 2 (1,20m 1 x 2,13m Türmaß) und einer Druckdifferenz von 45 Pa ergibt sich bereits eine benötigte Kraft von 112,5 N, wobei der Türschließer noch nicht berücksichtigt ist. Bereits der früher übliche Sollwert des Überdrucks von 50 Pa ist somit nicht mit der Forderung nach der maximalen Türöffnungskraft zu vereinen. 1 1,20 m werden nach MHHR als lichtes Maß für jeden Teil eines Rettungsweges gefordert.
Schutzzielorientiertes Konzept bei Druckbelüftungsanlagen Weiterhin wird der Druck im Treppenraum durch das Wetter und die Höhenlage im Gebäude beeinflusst. Da bisher eine Druckdifferenz von um die 50 Pa in allen Geschossen erreicht werden musste, wird eins klar: Es bedarf ein technisch kaum zu beherrschendes Maß an Regeltechnik, um dies zu gewährleisten. Die Probleme sind in der Fachwelt durchaus bekannt, so heißt es im Anhang B 2 der DIN EN 12101 T6 3 : Die in dieser Norm empfohlenen Differenzdrücke sind dazu gedacht, die Auftriebswirkungen und äußeren Windbedingungen während eines Brandes zu berücksichtigen. Falls Prüfungen durchgeführt werden, wenn die äußeren Bedingungen starke Winde und Luftböen verursachen, kann das Erreichen des geplanten Differenzdruckes unmöglich sein. B.2 Wenn die Schornsteinwirkung einen wesentlichen Faktor darstellt, kann dies auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, indem das Differenzdrucksystem für die Dauer von einer Stunde vor der Prüfung betrieben wird, so dass sich die Außenluft und die Schachttemperaturen ausgleichen können. 2 Mit dem Titel: Lösungen zur Erzielung der geplanten Differenzdrücke bei Problemen. 3 DIN EN 12101 T6: Rauchund Wärmefreihaltung Teil 6: Festlegungen für Differenzdrucksysteme, Bausätze Folgerichtig wird in den Erläuterungen zur neuen Muster-Hochhausrichtlinie gezweifelt: Der Verzicht auf einen redundanten Sicherheitstreppenraum wirft [ ] die Frage auf, ob die Differenzdrucksysteme zur Rauchfreihaltung die sichere Benutzbarkeit der Sicherheitstreppenräume bei allen Druck- und Windverhältnissen gewährleisten können. (Quelle: Muster-Richtlinie über den Bau und Betrieb von Hochhäusern (Muster-Hochhaus-Richtlinie MHHR), Fassung April 2008, Erläuterungen) Höhenunabhängige Anlagen die Lösung für die Zukunft?! Um den Sicherheitstreppenraum trotz allem sicher also rauchfrei zu gestalten, sollte die Anlagentechnik nicht weiter verkompliziert werden. Ein alternativer Ansatzpunkt ist ein System, das in jedem Geschoss auf die gleiche Art und Weise, d.h. höhenunabhängig funktioniert. Zusätzlich sollte die Abhängigkeit von anderen Einflussfaktoren wie dem Wetter o. Ä. reduziert werden. 7
Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume Diese Unabhängigkeit kann erreicht werden, indem ausschließlich die Vorräume zwischen Nutzungseinheit und Treppenraum druckbelüftet werden. So dringt kein Rauch in die so genannten Schleusen ein und auch der Treppenraum ist so vor Brandrauch geschützt. Solange alle Türen geschlossen bleiben, kann die Luft, die in den Vorraum eingebracht wird, über Druckentlastungsöffnungen abströmen. Ein Überdruck von z.b. 20 Pa kann auf diesem Weg erreicht und konstant gehalten werden. Der Druck ist ausreichend, um einen Raucheintritt sicher zu verhindern und beeinflusst auch die Türöffnungskraft positiv, indem sie so relativ gering und damit handhabbar bleibt. Abb. 2: darstellung der Druckdifferenz bei geschlossenen Türen 8
Schutzzielorientiertes Konzept bei Druckbelüftungsanlagen Abb. 3: darstellung der Strömungsgeschwindigkeit bei geöffneten Türen 9
Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume Wird nun die Tür des Vorraums zur Nutzung geöffnet, strömt die frische Luft aus dem Vorraum in die Nutzung ein. Dadurch, dass die Luft in die geplante Richtung geleitet und der gesamte Türquerschnitt abgedeckt bzw. durchströmt wird, kann ein Austreten von Rauch aus der Nutzung verhindert werden. Die Luft strömt dann z.b. über einen zentralen Schacht und das Dach ab. Wird die Tür vom Vorraum zum Treppenraum geöffnet, strömt der Teil der sauberen Luft, der nicht in die Nutzung dringt, in den Treppenraum. Die angestrebte Durchströmung der gesamten Türfläche der Tür zur Nutzung bleibt erhalten, das Schutzziel somit erfüllt. Ein zusätzlicher Schutz des Treppenraums bzw. ein Überdruck in dem gesamten Bereich des als Kamin wirkenden Schachtes ist aus diesem Grund nicht notwendig. Die Vorräume der einzelnen Etagen werden daher zu eigenständigen Schutzräumen. Das gesamte System emanzipiert sich von der Höhe, weitestgehend vom Wetter und der Anzahl der Stockwerke. Abb. 4: Simulierte Raumstruktur: Verrauchter Brandraum und vorgelagerter Flur rauchfrei gehaltener Vorraum und Brandraum 10
Schutzzielorientiertes Konzept bei Druckbelüftungsanlagen hhpberlin-mitarbeiter Martin Steinert hat dies mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen im Rahmen seiner Diplomarbeit zum Thema Lüftungsanlagen zur Sicherstellung der Rauchfreihaltung innenliegender Sicherheitstreppenräume für verschiedene Randwerte untersucht. Die CFD-Simulationen haben gezeigt, dass eine derartige direkte Belüftung der Vorräume sowie die Rauchfreihaltung der Sicherheitstreppenräume möglich sind. Bereits mit einer einfachen Ausströmung konnte das Schutzziel der Rauchfreiheit in den Treppenräumen erreicht werden. Durch eine gezielte Lufteinbringung in die Schleuse kann das System optimiert und somit das jeweils gewünschte Schutzziel (z.b. eine konkrete Strömungsgeschwindigkeit durch die Türen) erreicht werden. Abb. 5: darstellung der Luftbewegung im Vorraum speziell im Bereich der Tür zwischen Vorraum und notwendigem Flur 11
Weitere Informationen www.hhpberlin.de hhpberlin ist eines der führenden deutschen Ingenieurbüros für Brandschutz mit Sitz in Berlin, München, Hamburg und Frankfurt. Die 1999 aus dem Büro Hosser, Hass und Partner hervorgegangene Firma entwickelt weltweit Brandschutzkonzepte für nationale und internationale Bauprojekte. Zu den Referenzen gehören beispielsweise die Münchner Allianz Arena, das Bundeskanzleramt, die Color Line Arena in Hamburg, die Dalian Twin Towers und das Pudong Museum in China. Die Kompetenz von hhpberlin reicht von der brandschutzgerechten Fachplanung über die Ausführung bis hin zur Qualitätssicherung sowohl im Neubau als auch bei der Bauerneuerung. hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH Hauptsitz: Rotherstraße 19 10245 Berlin Phone +49 (0)30 89 59 55-0 Fax +49 (0)30 89 59 55-100 www.hhpberlin.de email@hhpberlin.de