Weltweit brechen jährlich etwa 4 Mio. Brände aus, bei denen Sachwerte in einer Höhe von rund 70 Mrd. US-Dollar vernichtet werden und ca. 15000 Menschen ums Leben kommen. Da die meisten Opfer durch Rauchvergiftungen zu beklagen sind, hat eine wirkungsvolle Entrauchung im Brandfall oberste Priorität. Sie ermöglicht nicht nur die Flucht gefährdeter Personen, sondern auch eine effektive Brandbekämpfung. Entrauchungsanlagen lassen sich mit konventionellen Mitteln jedoch nicht in allen Fällen verlässlich planen.
Während Entrauchungsanlagen bei einfachen Gebäuden und Räumen basierend auf der DIN 18232 bzw. EN 12101 ausgelegt werden können, lassen sich Gebäude oder Räume mit komplexer Geometrie nicht ohne Weiteres auf der Grundlage von Regelwerken mit Entrauchungsanlagen ausstatten. Das hängt damit zusammen, dass die Auslegung ganz wesentlich von zwei Faktoren abhängig ist: Von der durch den jeweiligen Brand individuell sich einstellenden Raumströmung und der Intensität der Zuluftströmung.
Mehr Sicherheit, für weniger Geld
In diesen und anderen Fällen können Simulationsberechnungen helfen, vom Standard abweichende brandschutztechnische Planungen, Gutachten oder Stellungnahmen mit wissenschaftlichen Methoden zu untermauern und damit beispielsweise zu einer schnelleren Akzeptanz seitens der Genehmigungsbehörden beizutragen. Umgekehrt fordern auch Bauaufsichtsbehörden immer häufiger Simulationsrechnungen zur Absicherung vorgelegter Konzepte.
Da dreidimensionale Daten aller relevanten Größen wie Rauchkonzentration, Temperatur und Geschwindigkeit oder die jeweils vorhandene Sichtweite zu jedem Zeitpunkt des Brandes berechnet werden können, lassen sich für jeden Punkt innerhalb eines Objektes zuverlässige Aussagen treffen und die nötigen Schlussfolgerungen ziehen. Daraus ableitbare Lösungsvorschläge sind herkömmlichen Konzepten, in Bezug auf die Sicherheit, den Investitions- und Betriebskosten deutlich überlegen. Weil neben sicherheitstechnischen auch wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtigt werden, lässt sich ein bestimmtes Sicherheitsniveau häufig kostengünstiger erzielen, als es mit konventionellen Methoden möglich wäre. Hinzu kommt, dass rechnergestützte Nachweisverfahren in der Regel preiswerter sind als reale, an Modellanlagen durchgeführte Versuche.
Vom realen zum digitalen Modell
Vor dem Einsatz von Simulationsverfahren wurden Brandversuche am realen Gebäude durchgeführt. Diese zeichnen sich zwar durch eine hohe Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Brandverhalten aus, sind aber aus Sicherheits-, Umweltschutz- und Kostengründen problematisch. Mittlerweile werden für Rauchversuche maßstäblich verkleinerte Gebäudemodelle eingesetzt. Aufgrund der Maßstabsverkleinerung treten jedoch bei den Parametern und Randbedingungen Skalierungsprobleme auf: Faktoren wie die Gebäudegeometrie, verwendete Bauteile, eingebaute Klimaanlagen, thermodynamische Vorgänge etc. lassen sich, bedingt durch die Maßstabsverkleinerung, nicht nachbilden oder sind auf die Realität nicht direkt übertragbar. Auch die Messung relevanter Parameter gestaltet sich, wie bei den Brandversuchen am realen Gebäude, äußerst schwierig. Aus diesen und weiteren Gründen geht der Trend weg von den realen und hin zu den digitalen Modellen.
Ziele EDV-gestützter Brandsimulation…
Brandschutzmaßnahmen dienen insbesondere dazu, den Nutzern eines Gebäudes genügend Zeit zu geben, sich im Brandfall in Sicherheit zu bringen. Was nach einer einfachen Aufgabenstellung aussieht, erweist sich bei näherer Betrachtung als ein Problem mit komplexen Zusammenhängen. So kann es durch Wechselwirkungen zwischen der Architektur (Gebäudegeometrie, offenes Raumkonzept, Gestaltungselemente etc.), den raumlufttechnischen Anlagen und vorhandenen Luftströmungen zu einem unvorhersehbaren Verlauf der Rauchausbreitung kommen. Luftverwirbelungen können bewirken, dass sich Rauch mit sauberer Luft mischt, was zur Folge hat, dass ein größeres Raumvolumen abgeführt werden muss als vorherberechnet, um Fluchtwege rauchfrei zu halten.
Neben dem Nachweis von Fluchtwegen und Fluchtzeiten – und damit zusammenhängend die Berechnung der Brandrauch-Dichte und deren Auswirkung auf die Sichtweite – gehören zu den weiteren Zielstellungen: Aussagen über Auslösezeiten bei Sprinkleranlagen oder Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (RWA) und deren Einfluss auf den Brandverlauf, die Konzentration von Verbrennungsprodukten wie Ruß oder Rauchgase (Kohlenmonoxid/-dioxid, Schwefeldioxid etc.), die Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Raumatmosphäre, ferner die Wärmestrahlung von Flammen und Rauchgasen oder die Bestimmung von Bauteil-Temperaturen.
…und deren Einsatzmöglichkeiten
Die Einsatzmöglichkeiten von Brandsimulationssoftware sind vielfältig. Sie reichen von einfachen Volumenbränden, über Flächenbrände, bis hin zu komplexen Brandszenarien mit sich plötzlich ändernden Randbedingungen, wenn etwa eine großflächige Glasfassade durch die Hitzeeinwirkung platzt. Da sich auch Bauteiltemperaturen für jeden Punkt einer Konstruktion präzise berechnen lassen, kann man insbesondere bei Stahlbauten ermitteln, welche tragenden Bauteile im Brandfall einer besonderen Beanspruchung unterliegen und daher einen zusätzlichen Brand- oder Sprinklerschutz benötigen.
Auch im Tunnelbau wird die digitale Brandsimulation zunehmend eingesetzt. Insbesondere der Katastrophenfall – ein LKW-Brand in Verbindung mit brandbeschleunigendem Ladegut – stellt jedes Tunnel-Sicherheitskonzept auf die Probe. Die rechnergestützte Simulation ermöglicht bei der Planung und bei bestehenden Tunnelbauten präzise Vorhersagen über die Wirksamkeit dieser Konzepte. Auch für die Ermittlung von „Behaglichkeits- und Komfortfaktoren“ wie Temperatur und Luftströmung eignen sich Feld- und CFD-Modelle. Wie stark sich beispielsweise ein Lichthof bei einer bestimmten Besuchermenge erwärmt und welche Luftströmungen dabei entstehen, lässt sich damit zuverlässig ermitteln.
Zonen-, Feld- oder CFD-Modell?
Digitale Brandmodelle werden nach der Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen, physikalischen und numerischen Verfahren und nach dem Umfang der verarbeiteten Datenmenge (Diskretisierungstiefe) unterschieden. Je nachdem, welche Randbedingungen vorherrschen bzw. welches Schutzziel erzielt werden soll, kommen Zonen-, Feld- oder CFD-Modelle zum Einsatz.
Zonenmodelle: Hierbei wird der Brandraum in Zonen unterteilt und für jeden Zeitschritt die Energieerhaltungs- und Kontinuitätsgleichung gelöst. Während man beim einschichtigen Zonenmodell von einem homogenen Temperaturfeld im Brandraum ausgeht, wird beim zweischichtigen Zonenmodell das Gasvolumen in eine obere heiße Gas- und eine untere kühlere Luftschicht unterteilt. Komplexe Prozesse werden empirisch, d.h. durch aus Versuchsergebnissen abgeleitete Beziehungen beschrieben, was jedoch zu Fehlern führen kann. Zonenmodelle, mit denen man relativ schnell und mit relativ wenig Aufwand zahlreiche Parameter berechnen kann, eignen sich für die Beantwortung einfacher Brandschutzfragen. Sie eignen sich nicht für komplexe Raumgeometrien oder die gezielte Betrachtung lokaler Effekte.
Feldmodelle beruhen, wie auch die CFD-Modelle, auf allgemeingültigen physikalischen Prinzipien der Energie-, Massen-, und Impulserhaltung. Auf der Basis eines dreidimensional „nachgebauten“ Geometriemodells des Gebäudes, das in eine Vielzahl (bis zu einigen Millionen) kleiner, miteinander vernetzter Zellen unterteilt wird, lassen sich physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Dichte, Gaskonzentrationen etc. als Funktionen von Ort und Zeit präzise ermitteln – und zwar für jede Zelle und damit für jeden beliebigen Punkt im Raum. Da einzelne Zellen von ihren Nachbarzellen beeinflusst werden, ist der Rechenaufwand sehr groß, was sich über viele Jahre als einschränkender Faktor dieser Methode erwies. Mit der Leistungsfähigkeit von PCs und Workstations stieg aber auch die Einsatzhäufigkeit von Feldmodellen, die leistungsfähiger und allgemeiner anwendbar sind als Zonenmodelle, und beispielsweise auch Turbulenzen innerhalb komplexer Gebäudegeometrien nachbilden können.
CFD-Modelle: Computational Fluid Dynamics-Modelle, wie sie ausführlich heißen, unterscheiden sich von Feldmodellen in der geometrischen Flexibilität der Zellelemente, der Flexibilität der Vernetzung von Zellen sowie in der Qualität der Beschreibung besonderer Brandeffekte wie Turbulenzen etc. Da bei der Definition des individuellen Brandmodells mehrere geometrische Grundkörper zur Verfügung stehen, lassen sich auch ungewöhnliche Raum- und Gebäudegeometrien in halbwegs wirtschaftlich vertretbarer Zeit beschreiben. CFD-Modelle sind deshalb besonders geeignet für Gebäude mit sehr komplexer Struktur und ebensolchen Randbedingungen, für Voll- und Lokalbrände sowie spezielle Brandeffekte. Nachteilig ist allerdings die extrem lange Rechenzeit.
Brandsimulation Schritt für Schritt
Will man Feld- oder CFD-Modelle nutzen, muss zunächst das zu untersuchende Gebäude bzw. Raumensemble als dreidimensionale Geometrie mit sämtlichen strömungstechnisch relevanten Details mit einem CAD-Programm oder einem Präprozessor erstellt werden. Das so entstandene Volumen wird anschließend in eine endliche Anzahl kleiner Zellen (so „finite Volumen“) unterteilt und damit ein die Berechnung vereinfachendes kartesisches oder unstrukturiertes „Rechengitter“ generiert. Die erforderliche Zellenanzahl hängt von der Gebäudegröße und -geometrie ab, umfasst aber in der Regel zwischen 20000 und einigen Millionen Zellen. Mit steigender Anzahl von Rechenzellen kann die zu untersuchende Geometrie immer genauer nachgebildet werden, wobei auch schräge Flächen, Wölbungen oder gekrümmte Wände als solche erfasst werden können.
Nach dieser Vernetzung müssen ein geeignetes Modell für die relevanten physikalischen und chemischen Prozesse ausgewählt sowie die Randbedingungen für die Berechnung definiert werden. Die Qualität der Ergebnisse hängt von mehreren Faktoren ab: Von der Diskretisierungstiefe, der Aufteilung des Raumes in Zellen, der Definition von Randbedingungen etc. Grenzen setzen trotz zunehmender Rechenleistung noch immer die Komplexität der Modelle und die Rahmenbedingungen. Extrem feine Rechengitter führen zwar zu besseren Ergebnissen, steigern den Rechenaufwand jedoch beträchtlich, so dass komplexe 3D-Probleme in manchen Fällen selbst auf Großrechnern mehrere Wochen dauern können und damit nicht in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit zu lösen sind.
CFD: Nur für echte Experten
Besondere Gestaltungs- und Nutzungswünsche bei Büro- und Industriegebäuden, Bahnhöfen, Flughäfen, Messe- und Konzerthallen, Sportarenen und anderen Versammlungsstätten setzen neue Methoden voraus, mit denen man das Einhalten gesetzlicher Brandschutzvorgaben nachweisen kann. Brandsimulations-Software ist in der Lage, das reale Verhalten von Bränden und die damit zusammenhängenden Phänomene wie die Rauchausbreitung realistisch zu prognostizieren.
Erreicht wird dies jedoch nur durch eine exakte Wiedergabe der Raumgeometrie, die Verwendung hinreichend genauer Brandmodelle und die Berücksichtigung relevanter Phänomene wie Turbulenz und Wärmeübertragung. Durch ein zu grobes Rechengitter, ungenaue Randbedingungen und andere Faktoren können die Programme aber auch zu falschen Ergebnissen führen, was auf den ersten Blick nicht zu erkennen ist. Mögliche Fehlerquellen sind nicht nur „technischer“ Natur – weitaus stärker wiegt, wenn unwahrscheinliche, aber mögliche Brandszenarien vergessen/vernachlässigt oder Raumgeometrien nach Fertigstellung des Gebäudes – etwa durch eine Nutzungsänderung bedingt – verändert werden.
In jedem Fall müssen die Ergebnisse von Fachleuten interpretiert werden. Ausschlaggebend für den Erfolg rechnergestützter Simulationsverfahren ist deshalb eine enge Zusammenarbeit des Simulationsexperten mit Architekten, Ingenieuren, Brandschutzfachleuten und der Feuerwehr. Viele Simulationsexperten stehen auf dem Standpunkt, dass „CFD & Co“ nur anwenden sollte, wer bereits mit realen Strömungen in einem Strömungslabor experimentiert hat. Allein die Fähigkeit, entsprechende Programme zu bedienen, macht noch niemanden zu einem Strömungs- und erst recht zu keinem Brandschutzfachmann. Marian Behaneck
Literatur / Weitere Informationen
[1] Dr. Rainer Könnecke, I.S.T. Integrierte Sicherheits-Technik: Brandschutzkonzepte auf der Grundlage ingenieurtechnischer Nachweisverfahren
[2] Dipl.-Ing. Dr.sc.tech Stefan Martens, Fluent Deutschland, Dr.-Ing. Peter Vogel, Gebäude-Technik-Dresden: EDV-gestützte Brandsimulation
[3] Dipl.-Ing. Dr.sc.tech. Stefan Martens, Dipl.-Ing. Martin Auth, Fluent Deutschland: Numerische Strömungssimulation (CFD) zur Berechnung der Rauchausbreitung im Brandfall – Möglichkeiten und potentielle Fehlerquellen
[4] VDI 6019 Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden, Blatt 1: Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit, Blatt 2: Ingenieurmethoden. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2007 und Juli 2007
http://fire.nist.gov/fds Animierte Simulationsbeispiele
http://www.brandschutz.de Firmendatenbank und Informationen
http://www.brandschutzfrage.de Brandschutz-Diskussionsforum
http://www.bvfa.de Bundesverband technischer Brandschutz
http://www.feuertrutz.de Bauvorschriften und Brandschutzinfos
http://www.fvlr.de Fachverband Tageslicht und Rauchschutz
https://www.vfdb.de/ Vereinigung zur Brandschutz-Förderung
Brandsimulation in der Praxis
Brandsimulationsberechnungen zur Entwicklung von Entrauchungsstrategien im Rahmen eines Brandschutzkonzeptes gehören bei der Sachverständigenpartnerschaft Halfkann+Kirchner aus Erkelenz mittlerweile zur täglichen Projektarbeit. TGA-Fachplaner befragte den Leiter der Abteilung Entrauchungs- und Strömungstechnik, Dipl.-Ing. Oliver Krüger, zum Thema Brandsimulation.
TGA: Herr Krüger, in welchen Fällen setzt Ihr Büro CFD-Software ein?
Krüger: CFD-Software setzen wir ein, wenn Raumströmungen innerhalb eines komplexen Gebäudes bereits in der Planungsphase vorhergesagt werden müssen. Insbesondere interessiert uns die mögliche Ausbreitung von Rauchgasen im Brandfall. Teilweise berechnen wir auch die Umströmung von Gebäuden bei Wind und die dabei entstehenden Strömungsverhältnisse.
TGA: Welche Vorteile sehen Sie gegenüber der konventionellen Arbeitsweise?
Krüger: CFD hat den Vorteil, dass man komplexe Gebäudegeometrien nachbilden kann und sehr detaillierte Ergebnisse für die relevanten physikalischen Größen, wie z.B. Rauchgastemperatur, Rauchgasdichte und Strömungsgeschwindigkeit erhält. Zudem benötigen CFD-Studien kein Strömungslabor, so dass die Investitionskosten relativ gering sind.
TGA-Fachplaner: Wo haben Simulationsverfahren Ihrer Ansicht nach Grenzen?
Krüger: CFD-Studien haben ihre Grenzen dann, wenn eine Vielzahl von Parameterstudien durchgeführt werden müssten. Dies ist in einem vertretbaren Rahmen mit CFD-Modellen in unserem Geschäft normalerweise nicht möglich. Deshalb setzen wir dann einfachere Zonenmodelle für eine Vordimensionierung ein und konzentrieren uns mit CFD dann auf den konkreten Nachweis für die kritischen Fälle.
TGA: Vielen Dank für das Gespräch.
Software und Anbieter (Auswahl)
AVL Fire https://www.avl.com/en
EFD.Lab http://www.nika.biz
FDS http://www.fire.nist.gov/fds/
FLUENT http://www.fluent.de
I-G-N-I-S (Projekt) http://ignis.mi.fu-berlin.de
KOBRA 3D/ASERI/FIREX https://www.ist-net.de/
PHOENICS 2006 https://www.coolplug.com/
STAR-CD / STAR-Works http://www.cd-adapco.com
Upfront CFD http://www.cfdesign.com
