Brandsimulation

Der vorbeugende und abwehrende Brandschutz stellt einen eigenen Planungsbereich mit hohem Stellenwert dar. Hierbei ist die Kenntnis über die Rauchausbreitung von besonderer Bedeutung. Diese Rauchausbreitung kann bei definierten Brandszenarien durch Simulation sehr genau berechnet werden.

Die Berechnungen basieren wie bei der Strömungssimulation auf dem CAD Modell des betroffenen Bereiches. Hinzu kommen brandspezifische Modellierungsansätze. Wechselwirkungen bestehen insbesondere mit der Gebäudesimulation (Wandoberflächentemperaturen, Wärmeströme über Begrenzungsflächen).

Vorteile:

  • Berechnung der sich einstellenden Sichtweiten auf den Fluchtwegen
  • Sicherstellung der geforderten Eigen- oder Fremdrettungszeiten
  • Aussagen über die zu erwartenden Auslösezeiten bei Sprinkleranlagen
  • Werden die Auslösetemperaturen auch örtlich erreicht?
  • Bestimmung der auf Bauteile einwirkenden Temperaturen
  • Ermittlung und Optimierung der für die Entrauchung erforderlichen Luftmengen

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Im vorbeugenden und abwehrenden Brandschutz steht die Untersuchung der Ausbreitung von Brandgasen und die daraus folgende zeitliche Entwicklung der Schadstoffkonzentrationen und der Sichtweiten im Vordergrund. Er stellt daher einen eigenen Planungsbereich mit hohem Stellenwert dar.

Mit den modernen Berechnungswerkzeugen kann bei definierten Brandszenarien die Rauchausbreitung durch Simulation sehr genau berechnet werden. Bei INNIUS wird dafür das Berechnungsprogramm Ansys Fluent eingesetzt.

DIE BRANDSIMULATIONEN WERDEN AUF FOLGENDEN GRUNDLAGEN DURCHGEFÜHRT:

  • CAD Modell des betroffenen Bereiches
  • brandspezifische Modellierungsansätze
  • definierte Brandszenarien, die aus der Nutzung abgeleitet werden
  • vorgegebenes oder zu entwickelndes Entrauchungskonzept

Im Rahmen der Untersuchungen werden für das RWA- System (RWA = Rauch- und Wärme-Abzug) die Nachströmöffnungen, die Absaugstellen (Lage, Art und Parameter), Entrauchungsluftmengen sowie das Betriebsregime variiert, bis die für das definierte Brandereignis geforderte Zielstellung mit optimalen Entrauchungsluftmengen und -strategien erreicht wird.

ZIELSTELLUNGEN KÖNNEN SEIN:

  • Einhaltung von Mindestsichtweiten auf den Fluchtwegen
  • Sicherstellung von Eigenrettungs- und Fremdrettungszeiten
  • Sicherstellung von bestimmten Umgebungsbedingungen für den Löschangriff
  • Klärung, ob die Auslösetemperaturen auch örtlich erreicht werden
  • Aussagen über die zu erwartenden Auslösezeiten bei Sprinkleranlagen
  • Bestimmung der auf Bauteile einwirkenden Temperaturen zur Festlegung ob, ein besonderer Schutz, z.B. Promatverkleidungen oder Sprinklerschutz (Dachkonstruktion), benötigt wird.
    Erarbeitung von Lösungen für den Bestand bei neuen Randbedingungen

Mit der Brandsimulation kann für alle relevanten Brandszenarien der Nachweis der Funktionsfähigkeit der RWA-Systeme geführt und die Auslegung der Systeme zur Einhaltung der Schutzziele unterstützt werden. Im Rahmen einer Optimierung ist dabei meist eine Verringerung der Entrauchungsluftmengen möglich, wodurch kleinere und kostengünstigere Entrauchungsanlagen eingesetzt werden können.

Beispiel Terminal 2 FH München, Gepäckförderanlage

Beispiel: Gepäckförderanlage im Terminal 2, Flughafen München. Aufgrund der Komplexität waren nach konventioneller Auslegung in einem Brandabschnitt
80 m x 100 m zwei Anlagen mit je 10-fachen Luftwechsel geplant. Dabei wurden die Anlagen so ausgelegt, dass der Rauch aus jedem Bereich auf kürzestem Weg abgeführt werden soll.

Bei der Simulation dieses Konzeptes stellte sich heraus, dass große Bereiche verrauchen und sich infolge raumspezifischer Gegebenheiten (Transportsysteme, Trennwände) die höchsten Rauchkonzentrationen in 30 bis 40 m Abstand mit hoher Konzentration in Richtung der Angriffspunkte der Feuerwehr bildeten.

Durch Änderung der Anordnung der Absaugstellen, Veränderung der Abluftmengen und Anpassung der Fahrweise der Entrauchungsanlagen an die tatsächlichen Verhältnisse konnte die Erhaltung der Schutzziele und eine Verbesserung der Angriffsbedingungen für die Feuerwehr erreicht werden.

Darüber hinaus wurden die Luftmengen für jede der zwei Anlagen vom 10-fachen auf den 3-fachen Luftwechsel reduziert. Das führte zu einer deutlichen Senkung der Investitionskosten, Verringerung der Öffnungen in der Decke sowie Minimierung der Einwirkungen der RWA-Anlagen auf die Fördersysteme.

Flughafen München, Terminal 2, Gepäckförderanlage

Flughafen München
Rauchkonzentration [%] nach konventioneller Pl
anung
Flughafen München
Sichtweite auf reflektierende Rettungszeichen [m] nach konventioneller Planung
Flughafen München
Rauchkonzentration [%] nach Optimierung mittels Brandsimulation
Flughafen München
Sichtweite auf reflektierende Rettungszeichen [m] nach Optimierung mittels Brandsimulation

Modellerstellung

Die Berechnungen basieren auf den gleichen Grundlagen wie die Strömungssimulation. Zunächst ist ein geometrisches Modell des zu betrachtenden Gebäudes oder Gebäudeabschnitts zu erstellen, zu vernetzen und mit den physikalischen Randbedingungen zu versehen. Dazu gehören im Falle der Brandsimulation insbesondere auch die Definition eines Brandszenarios mit der zeitlichen Entwicklung der Brandleistung und ggf. vorhandener Brandmelde- und -bekämpfungssysteme (z. B. Sprinkler) und Rauchabzugseinrichtungen (Ab- und Nachströmöffnungen, Kanäle, Entrauchungsventilatoren usw.) sowie ggf. im Verlauf des Brandes aktivierte Rauchschürzen.

Bei der Definition des Brandszenarios gilt es anhand der Nutzung des Gebäudes bzw. des Raumes zu beurteilen, welche Brandlasten (Masse, chemische Zusammensetzung) auftreten können. Daraus ergeben sich zusammen mit den Umgebungsbedingungen, der Brandausbreitungsgeschwindigkeit und der Abbrandrate der zeitliche Verlauf, die maximale Brandleistung und der Stoffumsatz, d. h. letztlich die Rauch- und Rußproduktion und die thermisch oder als Strahlung freigesetzte Energie.

Falls eine natürliche Entrauchung (d. h. ohne mechanische Rauchableitung mit Ventilatoren) angestrebt wird, sind auch die Anströmungsbedingungen des Gebäudes sowie die Lage der Rauchabzüge und der Nachströmöffnungen zu berücksichtigen. Informationen über die Druckverhältnisse an der Gebäudehülle werden in der Gebäudeumströmung ermittelt, die zusätzlich Eingangsdaten für die Gebäudedurchströmung liefert. Deren Ergebnisse sind schon beim Entwurf eines Konzeptes zur Brandbekämpfung oder Rauchableitung hilfreich.

Berechnung

Ergebnis der Berechnung ist in jedem Fall die zeitliche Entwicklung der Strömung, der Temperatur und der Rauchkonzentrationen.

WEITERE ERGEBNISSE DER BRANDSIMULATION KÖNNEN SEIN:

  • Sichtweiten auf den Fluchtwegen
  • Eigenrettungs- und Fremdrettungszeiten
  • sich einstellende Umgebungsbedingungen für den Löschangriff
  • Klärung, ob die Sprinklerauslösetemperaturen auch örtlich erreicht werden
  • Aussagen über die zu erwartenden Auslösezeiten bei Sprinkleranlagen
  • auf Bauteile einwirkende Temperaturen

In verschiedenen Berechnungsvarianten können verschiedene Brandbekämpfungsansätze oder Entrauchungskonzepte miteinander verglichen sowie die jeweiligen Anlagenparameter variiert werden.

Die umfangreichen Ergebnisse vertiefen das Verständnis für das objektspezifische Verhalten und zeigen Optimierungsansätze auf. Zum Beispiel können die Nachströmöffnungen, die Absaugstellen (Lage, Art und Parameter), die Ent­rauchungs­luftmengen sowie das Betriebsregime des RWA-Systems verändert werden, bis die für das Brand­ereignis geforderte Zielstellung mit optimalen Entrauchungsluftmengen und -strategien erreicht wird.

Auch zur Festlegung, ob ein besonderer Schutz (z.B. Promatverkleidungen oder Sprinklerschutz) von exponierten Bauteilen benötigt wird, können die Ergebnisse herangezogen werden.

Auswertung und Ergebnis

Auch in der Brandsimulation werden sehr umfangreiche Rohdaten erzeugt, da neben der räumlichen Verteilung auch die zeitliche Entwicklung aller Berechnungsgrößen gespeichert werden muss. Im Rahmen der Auswertung der Rohdaten wird die räumliche und zeitliche Entwicklung der Temperaturen, der Rauchkonzentrationen und der Sichtweiten ermittelt.

Diese Größen sind zur Beurteilung der Bedingungen für eine Selbstrettung anwesender Personen maßgeblich. Sie werden dementsprechend lokal aufgelöst vor allem auf den Flucht- und Rettungswegen sowie im Aufenthaltsbereich ausgewertet und mit den Zielwerten (z. B. gem. vfdb-Leitfaden) verglichen.

So können am Rechner auch alternative Szenarien durchgespielt werden, die eine Verbesserung der Selbstrettungsmöglichkeiten und/oder der Angriffsmöglichkeiten der Feuerwehr zum Ziel haben. Brandsimulationen ermöglichen damit eine hohe Sicherheit für die Funktionsfähigkeit der RWA-Systeme und die Einhaltung der Schutzziele. Gleichzeitig können durch die Optimierung oft geringere Entrauchungsluftmengen verwendet und damit kleinere und kostengünstigere Entrauchungsanlagen eingesetzt werden.

Bild 5.2 zeigt ein Rechengitter für die Brandsimulation in einer großen Veranstaltungshalle.

Bild 5.3 zeigt die Ergebnisse der Berechnungen anhand der sich einstellenden Rauchkonzentrationen.

 

Beispiel

Beispiel