Potenzielle Gefahren im Vorfeld simulieren

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• Für den Nachweis und die Optimierung des Brandschutzes, insbesondere bei Sonderbauten, werden zunehmend numerische Brand-, Rauch- und Evakuierungssimulationen eingesetzt.
• Doch Simulationen setzen Fachwissen voraus. Durch ein zu grobes Rechengitter, ungenaue Randbedingungen, nicht berücksichtigte Brandszenarien oder vernachlässigte Gefahrenquellen können Simulationen zu Fehlschlüssen führen.

Gestalterische Wünsche oder funktionale Anforderungen von Architekten und Bauherren widersprechen häufig zunächst den Erfordernissen des vorbeugenden Brandschutzes. Insbesondere öffentliche Bauvorhaben mit ihren individuellen Architektur- und Nutzungskonzepten gehen selten mit bauordnungsrechtlichen Regelanforderungen an den Brandschutz konform oder stehen mit diesen sogar im krassen Widerspruch.

Hinzu kommen Einschränkungen in der Anwendung von Regelwerken. So lassen sich beispielsweise Entrauchungsanlagen bei einfachen Gebäude- und Raumkonzepten zwar basierend auf der DIN 18 232 [1], respektive DIN EN 12 101 [2] auslegen, nicht aber bei Gebäuden mit komplexer Geometrie. Das hängt damit zusammen, dass die Auslegung auch von der gebäudeabhängigen Raumluftströmung, der Intensität der Zuluftströmung und anderen Faktoren abhängt.

Unsicherheiten entstehen auch dadurch, dass die Musterbauordnung, respektive die Landesbauordnungen, zwar allgemeine Schutzziele definieren, aber nicht auf Einzelfälle eingehen können und somit nur grobe Angaben enthalten. Bauordnungen sehen deshalb die Möglichkeit vor, von den Regelvorschriften abzuweichen, wenn durch geeignete Methoden nachgewiesen werden kann, dass die vom Gesetzgeber geforderten Schutzziele auch mit individuellen Lösungen realisierbar sind.

Ingenieurmethoden

Für individuelle Nachweise geeignet sind insbesondere Ingenieurmethoden, wie die rechnergestützte Brand-, Entrauchungs- und Evakuierungssimulation. Damit lassen sich auf der Grundlage mathematisch-physikalischer Modelle Brandschutznachweise erbringen, die eine Abweichung von vorgeschriebenen Brandschutzvorgaben ermöglichen. Eingesetzt werden die Simulationsverfahren in der Bauentwurfsplanung, der Brandursachenforschung und Brandfolgenermittlung sowie bei der Untersuchung von Brandphänomenen.

In der Entwurfsplanung dienen Simulationsrechnungen vor allem der Lokalisierung von Problemzonen im Gebäude und der Entwicklung und Verifizierung von Konzepten und Lösungen. Individuelle brandschutztechnische Konzepte, Gutachten oder Stellungnahmen lassen sich mit Simulationsrechnungen untermauern. Sie helfen bei der Dimensionierung und Optimierung brandschutztechnischer Einrichtungen, etwa von Rauchabzügen oder Anlagen für die maschinelle Entrauchung und ermöglichen Aussagen über deren Einfluss auf den Brandverlauf.

Da alle relevanten Daten wie Dichte, Temperatur oder Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt des Brandes berechenbar sind, lassen sich für jeden Punkt innerhalb eines Objekts zuverlässige Aussagen treffen. So wird die Konzentration von Verbrennungsprodukten, wie Ruß oder Rauchgasen, die Reduktion des Sauerstoffgehalts oder die vorhandene Sichtweite exakt berechnet, ebenso die Wärmestrahlung von Flammen und Rauchgasen zur Bestimmung von Bauteiltemperaturen. Damit lässt sich die tatsächliche thermische Belastung für jeden Punkt der Tragwerkskonstruktion ermitteln, sodass diese entsprechend präzise – und damit häufig schlanker und filigraner als mit konventionellen Rechenverfahren – dimensioniert werden kann.

Bei haustechnischen Anlagen kann man ermitteln, welche Bereiche und Bauteile einen zusätzlichen Brand- oder Sprinklerschutz benötigen. Auch die Löschwirkung von Wasser, respektive der Sprinkleranlage kann simuliert werden, wobei Parameter wie Wassermenge, Austrittsgeschwindigkeit, Tropfengröße etc. dem jeweils eingesetzten Sprinklertyp angepasst werden können.

Die Einsatzmöglichkeiten von Brandsimulationsprogrammen reichen von einfachen Volumenbränden über Flächenbrände bis hin zu komplexen Brandszenarien mit sich plötzlich ändernden Randbedingungen, wenn etwa eine Glasfassade durch Hitzeeinwirkung platzt. Mithilfe von Personenstrom-Simulationen können bauliche, technische und organisatorische Maßnahmen für die Evakuierung von Gebäuden entwickelt und optimiert werden.

Simulationsrechnungen unterstützen Planer dabei, sowohl sicherheitstechnisch als auch wirtschaftlich optimale Lösungen zu entwickeln. Vom Gesetzgeber oder Bauherr geforderte Sicherheitsstandards lassen sich damit häufig kostengünstiger erzielen, als mit konventionellen Methoden. Außerdem kosten rechnergestützte Nachweisverfahren weniger und belasten die Umwelt in geringerem Maße als reale Brandversuche.

Für jedes Problem das passende Modell

Je nachdem, welche Brandszenarien und Randbedingungen vorherrschen oder welches Schutzziel angestrebt wird, kommen verschiedene Brandmodelle zum Einsatz, die sich durch die Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen, physikalischen und numerischen Verfahren und nach dem Umfang der verarbeiteten Datenmenge unterscheiden:

Bei Zonenmodellen werden der Brandraum in mehr oder weniger große Zonen unterteilt und zu untersuchende Prozesse empirisch, also durch aus Versuchsergebnissen abgeleitete Beziehungen, beschrieben. Das vereinfacht zwar die Berechnung, führt bei komplexeren Problemstellungen aber zu Fehlern.

Feldmodelle beruhen, wie auch CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamic), auf physikalischen Prinzipien der Energie-, Massen-, und Impulserhaltung. Auf der Basis eines digitalen 3D-Geometriemodells des Gebäu-des, das in eine Vielzahl (bis zu einigen Millionen) kleiner, miteinander vernetzter Zellen unterteilt wird, lassen sich damit physikalische Größen, wie Temperatur, Druck, Dichte, Rauchgaskonzentrationen etc. als Funktionen von Ort und Zeit präzise er-mitteln – für jede Zelle und damit nahezu für jeden Raumpunkt. Da jede Zelle von ihren Nachbarzellen beeinflusst wird, ist der Rechenaufwand groß.

Von Feldmodellen unterscheiden sich CFD-Modelle in der geometrischen Flexibilität der Zellelemente, der Vernetzung von Zellen sowie in der Beschreibung besonderer Strömungseffekte, wie Turbulenzen. CFD-Modelle sind daher besonders geeignet für Objekte mit einer besonderen Form, Gestaltung, Struktur, vom Standard abweichende Randbedingungen, Voll- und Lokalbrände oder für spezielle Brandeffekte.

Vom 3D-Modell zur Simulation

Grundlage von Feld- oder CFD-Simulationen ist die dreidimensionale Geometrie des zu untersuchenden Gebäudes bzw. des Raumensembles mit sämtlichen strömungstechnisch relevanten Details. Die mit einem CAD-Programm oder einem Präprozessor erstellten Raumvolumina werden anschließend in eine endliche Anzahl kleiner Zellen („finite Volumen“) unterteilt und damit ein die Berechnung vereinfachendes kartesisches oder ungeordnetes Rechengitter generiert.

Die Wahl der Zellengröße ist abhängig von dem zu untersuchenden Brandszenario und den vorhandenen Rechenressourcen. In der Praxis werden bei öffentlichen Gebäuden (Empfangshallen, Atrien, Säle etc.) Zellengrößen zwischen 10 bis 20 cm verwendet, im Wohnungsbau sind diese etwas kleiner. Teilweise besteht die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Gitternetze zu definieren, beispielsweise an der Brandquelle ein feinmaschigeres Gitter, sodass der Verbrennungsprozess genauer simuliert werden kann.

Die erforderliche Zellenanzahl hängt von der Gebäudegröße und -geometrie ab, umfasst aber in der Regel zwischen 20 000 bis einige Millionen Zellen. Mit steigender Anzahl von Rechenzellen kann die zu untersuchende Geometrie immer genauer nachgebildet werden, allerdings steigt auch der Rechenaufwand. Nach der Vernetzung der Zellen werden ein geeignetes Modell für die relevanten physikalischen und chemischen Prozesse ausgewählt sowie die Randbedingungen für die Berechnung definiert. Die Qualität der Ergebnisse hängt ab von der Diskretisierungstiefe, also der Aufteilung des Raums in Zellen, der Definition von Randbedingungen usw.

Nach Abschluss der Simulation werden umfangreiche, in der Regel grafische Auswertungen ausgegeben, wobei Temperaturverläufe, Sichtweiten, Gaskonzentrationen etc. auch in Form von Tabellen und Diagrammen darstellbar sind. Grenzen setzt, trotz zunehmender Rechenleistung, noch immer die Komplexität der Modelle und der Rahmenbedingungen. Komplexe Probleme können in manchen Fällen selbst auf Großrechnern mehrere Wochen dauern, sodass auch die Simulation an wirtschaftliche Grenzen stößt. Für ein komplettes Simulationsprojekt, inklusive der Kosten für die Rechenzeit, muss man in Abhängigkeit der Projektgröße zwischen 5000 und 25 000 Euro kalkulieren.

Personenströme visualisieren

Bei der Evakuierung öffentlicher Einrichtungen, wie Einkaufszentren, Sportstadien, Bahnhöfen oder Flughäfen, kann jede Sekunde Leben retten. Mit speziellen Programmen zur Simulation zielgerichteter Personenbewegungen in räumlich komplexer Umgebung (beispielsweise Aseri, FDS+Evac, Pathfinder etc.) lässt sich die Wirksamkeit von Evakuierungskonzepten überprüfen. Simulationen ermitteln die Entfluchtungsdauer, lokalisieren problematische Stauzonen und helfen bei der Optimierung notwendiger Flucht- und Rettungswege.

Ferner ermöglichen sie den Nachweis, dass geplante oder bestehende Flucht- und Rettungswege für eine bestimmte Personenzahl genügen und ausreichend flexibel sind. Die Evakuierungssimulation ist damit ein anerkanntes ingenieurmäßiges Nachweisverfahren für eine ausreichende Fluchtwegdimensionierung bei Abweichungen vom Bauordnungsrecht.

Simulationsgrundlage ist, neben der Raum- und / oder Gebäudegeometrie mit allen für den Ablauf der Evakuierung wichtigen Details, eine Beschreibung der individuellen Bewegung der Personen, unter Berücksichtigung wichtiger Parameter, wie Größe, Gewicht, Alter, Gehgeschwindigkeit, Reaktions- und Verzögerungszeiten, Fluchtwege-Wahl, Verhalten bei Staubildung etc.

Die Wahl des Fluchtweges erfolgt unter Beachtung individueller und externer Einflussfaktoren wie Orientierung, Hinweiszeichen, Fluchtleitsysteme, Eingreifen von Ordnungs- oder Rettungskräften etc. Die Berechnung basiert auf elementaren Bewegungsabläufen (Aufschließen, Ausweichen, Überholen, Mindestabstand) und berücksichtigt auch raumgeometrisch bedingte Einschränkungen sowie äußere Einwirkungen, wie Rauch und Hitze. Dadurch lassen sich auch bei einer Entfluchtung und Evakuierung auftretende Personenstrom-Dynamiken vorhersagen. Wichtigstes Ergebnis der Berechnungsdaten sind jedoch die Mittelwerte der Räumungszeiten sowie deren statistische Schwankungen.

CFD ersetzt kein Fachwissen

Brandsimulations-Software ist in der Lage, das reale Verhalten von Bränden und damit zusammenhängende Phänomene wie die Rauchausbreitung zu prognostizieren. Erreicht wird dies jedoch nur durch eine exakte Wiedergabe der Raumgeometrie, die Verwendung hinreichend genauer Brandmodelle und die Berücksichtigung relevanter Phänomene, wie Turbulenzen und Wärmeübertragungen.

Durch ein zu grobes Rechengitter, un-genaue Randbedingungen oder vernachlässigte Brandszenarien oder Gefahrenpoten-ziale können die Programme zu falschen Ergebnissen führen, die auf den ersten Blick nicht erkennbar sind. Ausschlaggebend für den Erfolg rechnergestützter Simulationsverfahren ist daher eine frühzeitige, enge Zusammenarbeit von Planern, Brandschutzfachleuten und der Feuerwehr. In jedem Fall sollten die Ergebnisse von erfahrenen Brandschutzexperten interpretiert und auf Plausibilität geprüft werden.Marian Behaneck

Literatur / weitere Infos

[1] DIN 18 232 Rauch- und Wärmefreihaltung, Teil 2: Natürliche Rauchabzugsanlagen (NRA); Bemessung, Anforderungen und Einbau, November 2007; Teil 5: Maschinelle Rauchabzugsanlagen (MRA); Anforderungen, Bemessung, Mai 2012. Berlin: Beuth Verlag

[2] DIN EN 12 101 Rauch- und Wärmefreihaltung – Teil 2: Bestimmungen für natürliche Rauch- und Wärmeabzugsgeräte, September 2003; Teil 3 (Entwurf) Bestimmungen für maschinelle Rauch- und Wärmeabzugsgeräte, Juni 2010. Berlin: Beuth Verlag

[3] VDI 6019 Blatt 2 Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden, Ingenieurmethoden. Berlin: Beuth Verlag, Juli 2009

[4] Grewolls, K. und G.: Praxiswissen Brandschutz, Band 1: Simulationen, Köln: Feuertrutz Verlag, 2012

[5] Hosser, D. (Hrsg.): Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes, Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e. V. Altenberge, 2013, Download auf https://www.vfdb.de/

[6] Schneider, U.: Ingenieurmethoden im Baulichen Brandschutz. Grundlagen, Normung, Brandsimulationen, Materialdaten und Brandsicherheit, Kontakt & Studium, Band 531. Renningen: Expert-Verlag, 2014

[7] Vischer, A.: Sicherheit darstellen, Neue Ingenieurmethoden für die Visualisierung und den Nachweis des Brandschutzes. Berlin: Schiele & Schön, Deutsches Ingenieurblatt 9-2012

http://www.cfd-online.com  Informationen rund um das Thema CFD

http://www.feuertrutz.de  Bauvorschriften und Brandschutzinfos

http://www.fire-simulation.at  CFD-Grundlagen, Feldmodelle, Links

https://www.inuri.de/  Simulationsmethoden im Brandschutz

https://www.vfdb.de/  Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e. V.

http://www.vib-mrfc.de  Ingenieurmethoden im Brandschutz e. V.

Computational Fluid Dynamics, abgekürzt CFD, wird auch als Numerische Strömungssimulation bezeichnet. Damit lassen sich strömungsmechanische Aufgabenstellungen näherungsweise mit numerischen Methoden lösen. Die physikalische Grundlage von CFD-Berechnungsmodellen bilden Massen-, Energie- und Impulserhaltungsgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen). Mithilfe dieser Differentialgleichungssysteme lassen sich dreidimensionale Strömungen und Flüssigkeiten beschreiben. Eingesetzt werden CFD-Modelle in der Industrie für die Konstruktionsoptimierung von Flugzeugen, Fahrzeugen, elektronischen, heizungs- oder lüftungstechnischen Bauteilen. Im Baubereich kommen CFD-Modelle vor allem in der Brand- und Entrauchungssimulation, der Simulation von Windlasten am Gebäude sowie von Luftströmungen im Gebäude (siehe auch: Digitale Winde, TGA 01-2011,  Webcode  303612) zum Einsatz.

Ansys Fluent, CFX http://www.ansys.com

Aseri, Kobra 3D, Firex http://www.ist-net.de

Autodesk Simulation CFD https://www.autodesk.de/

CFdesign https://upfronteng.com/

FDS, SMV, FDS+Evac http://www.fire.nist.gov/fds

Mrfc https://www.vib-brandschutz.de/

Phoenics https://www.coolplug.com/

PyroSim, Pathfinder https://www.simtego.de/

SolidWorks Flow Simulation http://www.solidworks.de

Star-CD, Star-Works http://www.cd-adapco.com

*) Auswahl