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Möglichkeiten der Simulation im Brandschutzingenieurwesen Dr.-Ing. Christoph Klinzmann hhpberlin Ingenieure für Brandschut...
Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur u...
Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur u...
<ul><li>hhpberlin  steht seit 2000 für  Brandschutz aus einer Hand </li></ul><ul><ul><li>mit Standorten in Berlin, München...
Brandschutzbemessung in der Praxis <ul><li>Brandschutz wird im Baurecht (LBauO, SonderbauVO,…) geregelt </li></ul><ul><li>...
Nachweismöglichkeiten der Schutzziele
Präskriptive Vorschriften <ul><li>z. B. HBauO:  „ Tragende und aussteifende Wände und Stützen  müssen in Gebäuden der Gebä...
Schutzzielorientierter Nachweis <ul><li>Schutzzielorientiertes Vorgehen mit Ingenieurmethoden </li></ul><ul><ul><li>zu erf...
Nachzuweisende Schutzziele <ul><li>§ 14 BauO Bln „Brandschutz“  </li></ul><ul><li>„ Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, z...
Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur u...
<ul><li>Die herkömmliche Brandschutzbemessung basiert auf Feuerwiderstands-klassen und nominelle Temperaturzeitkurven </li...
Naturbrände <ul><li>Reale Schadensfeuer verlaufen signifikant anders als nominelle Kurven </li></ul><ul><ul><li>Gegenüber ...
Vorteile von Naturbrandmodellen <ul><li>Der Brand wird realistischer modelliert, da sich i.d.R. nicht im ganzen Raum die d...
Beschreibung realistischer Brandeinwirkungen <ul><li>Der Quellterm, für die Nachweise mit Ingenieurmethoden, der sogenannt...
Bemessungsbrand <ul><li>Üblicherweise dient die Wärmefreisetzungsrate Q´(t) als Eingangsgröße in die Modelle zur Brandsimu...
Wärmefreisetzungsrate Bemessungsbrand t 1 t 2 t 3 Entwick-lungs-phase Vollbrandphase Abklingphase 70% der Brandlast verbra...
Brandbekämpfungsmaßnahmen Ausbreitung erreicht Brandabschnittsgrenzen Feuerwehr startet Bekämpfung nach ca. 20 Min Eingrei...
Zukunft: Pyrolysemodelle <ul><li>Die thermische Zersetzung und die Verbrennung wird nicht implizit über einen Bemessungsbr...
Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur u...
Simulation der Temperaturentwicklung <ul><li>als Eingangsgröße für die Brandschutztechnische Bemessung, d. h. die Gewährle...
Simulation der Rauchausbreitung <ul><li>Zum Nachweis von raucharmen Schichten, zur Gewährleistung der Personensicherheit u...
Modellierung der Brandeinwirkung <ul><li>Das Phänomen Feuer ist ein hochgradig in stationärer und komplexer Vorgang </li><...
Brandwirkungen im Gebäude Vereinfachte Modelle Allgemeine Modelle Plume-Modelle ,  z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY Zonen-Mo...
<ul><li>Wurden in der Regel auf Grundlage von Versuchen zur Beschreibung lokaler Brandereignisse ermittelt („Plumemodelle“...
Realbrandkurven <ul><li>Beschreiben die Temperaturentwicklung im ganzen Raum </li></ul>Korrelation des zeitlichen Verlaufs...
Zonenmodelle <ul><li>Unterscheidung zwischen Heißgasschicht und Kaltgasschicht im Brandraum </li></ul><ul><li>Jeweils homo...
Zonenmodelle <ul><li>geeignet für: </li></ul><ul><li>einfache quaderförmige Geometrie </li></ul><ul><li>stabile Schichtung...
CFD-Modelle <ul><li>C omputational  F luid  D ynamics </li></ul><ul><li>Räumliche Diskretisierung des Brandraumes, Einteil...
<ul><li>Im Verlauf von Bränden treten vor allem turbulente Strömungen auf </li></ul><ul><li>Modellierung der Turbulenz erf...
CFD-Modelle <ul><li>Vor allem geeignet für </li></ul><ul><ul><li>komplexe Geometrien </li></ul></ul><ul><ul><li>sowohl Vol...
Zusammenfassung Eignung der Verfahren <ul><li>Plumemodelle können gut für Überschlagsberechnungen in großen und hohen Gebä...
Geometriemodellierung von CFD-Modellen <ul><li>Die Geometrie des Gebäudes muss in der Zellauflösung diskretisiert werden, ...
Parallelisierung <ul><li>Pro Prozessor (4 GB Speicher, 3 Ghz) können lediglich ca. 2,000,000 Zellen in vertretbarer Zeit g...
Beispiel: Versammlungsstätte <ul><li>Gebäude mit komplexer Geometrie  </li></ul><ul><ul><li>u. a. Ränge in zwei Richtungen...
Beispiel: Flugzeughangar <ul><li>Gebäude mit großen Abmessungen (120 m x 80 m x 30 m) </li></ul><ul><li>komplexes Dachtrag...
Auswertung der Schutzzielkriterien <ul><li>Graphisch anhand von Animationen, Konturplots, Zeitverlaufskurven </li></ul>Sim...
Momentane Anwendungsgrenzen <ul><li>Komplexe Strömungen, z. B. Wind auf die Fassade  (Rechenzeit, bemessungsrelevanter Fal...
Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Rauchausbrei...
Brandschutztechnische Bemessung <ul><li>Zukünftig wird der Eurocode (DIN EN 1991-1-2) für die Bemessung von Bauteilen auch...
Nachweiskonzept der Eurocodes (EC-x-1-2) <ul><li>Nachweisverfahren in 3 Stufen: </li></ul><ul><li>Stufe 1: Tabellarische D...
<ul><li>Thermische Analyse </li></ul><ul><ul><li>Ermittlung des Wärmestroms auf die Bauteile infolge der Temperaturbeanspr...
Temperaturabhängige Materialeigenschaften Beton Eurocodes thermisch mechanisch
Wärmeleitung  Thermische Analyse Eurocodes
Mechanische Analyse Eurocodes -0.004 0 0.004 0.008 Dehnung [-] Temperatur 0 200 400 600 Temperatur [°C] 20°C 400°C 600°C 8...
Mechanische Analyse Eurocodes
Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur u...
Anwendungsgebiete Entfluchtungsberechnung <ul><li>Bahnhöfe, Arenen, Flughäfen etc. (große Personenzahlen) </li></ul><ul><l...
Ziele von Entfluchtungsberechnungen <ul><li>Optimierung des Gebäudedesigns </li></ul><ul><ul><li>Erkennen und Vermeiden kr...
Methoden „ Vereinfachte“ Verfahren „ Exakte“ Verfahren Handformeln , z.B. nach SPFE Handbook,  vfdB Leitfaden Individualmo...
Individualmodelle <ul><li>Grundannahme: </li></ul><ul><li>Individuelle Bewegung von Einzelpersonen </li></ul><ul><li>Perso...
Vorgehensweise <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></u...
Vorgehensweise <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></u...
Vorgehensweise <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></u...
Anwendungsgrundsätze <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></...
 
<ul><li>Die für die Evakuierung erforderliche Zeit + Zuschlag muss kleiner sein als die verfügbare Zeit, z. B.  </li></ul>...
Zusammenfassung und Fazit <ul><li>Leistungsorientierte Brandschutzbemessung zurzeit noch Ausnahmefall </li></ul><ul><li>Eu...
Zusammenfassung und Fazit <ul><ul><li>Festlegung des maßgeblichen Brandszenarios bzw. Bemessungsbrandes (Naturbrandverfahr...
<ul><li>Erwärmungsberechnung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren </li></ul><ul><li>- Allgemeines Berechnungsverfahren </...
Zusammenfassung und Fazit <ul><li>Leistungsorient. Bemessung ist aufwändige Vorgehensweise </li></ul><ul><ul><li>Berechnun...
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Brandsimulation

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Brandsimulation

  1. 1. Möglichkeiten der Simulation im Brandschutzingenieurwesen Dr.-Ing. Christoph Klinzmann hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH Geschäftsbereich Ingenieurmethoden
  2. 2. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude </li></ul><ul><li>Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen </li></ul><ul><li>Simulation des Personenverhaltens </li></ul><ul><li>Ausführungsbeispiele </li></ul><ul><li>Zusammenfassung und Fazit </li></ul>
  3. 3. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude </li></ul><ul><li>Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen </li></ul><ul><li>Simulation des Personenverhaltens </li></ul><ul><li>Ausführungsbeispiele </li></ul><ul><li>Zusammenfassung und Fazit </li></ul>
  4. 4. <ul><li>hhpberlin steht seit 2000 für Brandschutz aus einer Hand </li></ul><ul><ul><li>mit Standorten in Berlin, München, Hamburg und Frankfurt am Main </li></ul></ul><ul><ul><li>mit einem Team von 90 Mitarbeitern aus Ingenieuren, Architekten und Physikern, öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige sowie zahlreiche freien Mitarbeitern und strategischen Partnern </li></ul></ul><ul><ul><li>von Beginn an Einsatz und Weiterentwicklung innovativer Ingenieurmethoden in den Bereichen Brandsimulation, Brandschutzbemessung und Entfluchtungssimulation </li></ul></ul>Brandschutz der nächsten Generation Brandschutz- konzepte Ingenieur- methoden Bau- begleitung Brandschutz- dokumente
  5. 5. Brandschutzbemessung in der Praxis <ul><li>Brandschutz wird im Baurecht (LBauO, SonderbauVO,…) geregelt </li></ul><ul><li>es werden </li></ul><ul><ul><li>zu erfüllende Schutzziele und </li></ul></ul><ul><ul><li>materielle Anforderungen z. B. an Bauteile oder anlagentechnische Maßnahmen </li></ul></ul><ul><ul><li>formuliert  „präskriptive Vorschriften“ </li></ul></ul><ul><li>Präskriptive Vorschriften </li></ul><ul><ul><li>Sicherheit durch Erfüllung der Anforderungen der Vorschriften </li></ul></ul><ul><ul><li>VORTEIL : Einfache Bemessung (Bemessungstabellen) </li></ul></ul><ul><ul><li>NACHTEIL : Häufig konservativer Nachweis </li></ul></ul><ul><ul><li> Schutzzielorientierte Nachweise mit Ingenieurmethoden können wirtschaftlichere Gebäude ermöglichen </li></ul></ul>
  6. 6. Nachweismöglichkeiten der Schutzziele
  7. 7. Präskriptive Vorschriften <ul><li>z. B. HBauO: „ Tragende und aussteifende Wände und Stützen müssen in Gebäuden der Gebäudeklasse 5 feuerbeständig sein. “ </li></ul><ul><li>z. B. MVStättV: „ Versammlungsstätten mit Versammlungsräumen von insgesamt mehr als 3 600 m² Grundfläche müssen eine automatische Feuerlöschanlage haben. “ </li></ul><ul><ul><li>Brandschutzmaßnahmen werden pauschal gefordert, die Erfüllung der Schutzziele aber nicht nachgewiesen </li></ul></ul><ul><ul><li>Erfüllung über Einhaltung von Normen, z. B. DIN 4102-4 03/1994 </li></ul></ul>
  8. 8. Schutzzielorientierter Nachweis <ul><li>Schutzzielorientiertes Vorgehen mit Ingenieurmethoden </li></ul><ul><ul><li>zu erfüllende Schutzziele werden quantitativ nachgewiesen </li></ul></ul><ul><ul><li>Wirkung von Schutzmaßnahmen (baulich, anlagentechnisch, abwehrend) kann berücksichtigt werden  wirtschaftlichere Konzepte </li></ul></ul><ul><li>Vorgehen beim Nachweis </li></ul><ul><ul><li>Schutzziele müssen Schutzzielkriterien zugeordnet werden </li></ul></ul><ul><ul><li>repräsentativer Bemessungsbrand muss definiert werden </li></ul></ul><ul><ul><li>Nachweis wird mit Ingenieurmethoden (z. B. Eurocodes) </li></ul></ul><ul><ul><li>Einbindung in ein Brandschutzkonzept erforderlich </li></ul></ul>
  9. 9. Nachzuweisende Schutzziele <ul><li>§ 14 BauO Bln „Brandschutz“ </li></ul><ul><li>„ Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zu ändern und instand zu halten, dass der Entstehung eines Brandes und der Ausbreitung von Feuer und Rauch (Brandausbreitung) vorgebeugt wird und bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren sowie wirksame Löscharbeiten möglich sind.“ </li></ul><ul><li>Entsprechende Nachweise </li></ul><ul><ul><li>Standsicherheit : Brandschutztechnischer Nachweis der Tragkonstruktion (Simulation der Temperaturverteilung, Erwärmungsberechnung des Tragwerks, Mechanische Analyse) </li></ul></ul><ul><ul><li>Personensicherheit: Nachweis raucharmer Schichten, Nachweis der sicheren Evakuierung (Simulation der Rauchausbreitung) </li></ul></ul><ul><ul><li>Wirksame Löscharbeiten: Nachweis raucharmer Schichten, ggf. in geringeren Schichthöhen </li></ul></ul>
  10. 10. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude </li></ul><ul><li>Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen </li></ul><ul><li>Simulation des Personenverhaltens </li></ul><ul><li>Ausführungsbeispiele </li></ul><ul><li>Zusammenfassung und Fazit </li></ul>
  11. 11. <ul><li>Die herkömmliche Brandschutzbemessung basiert auf Feuerwiderstands-klassen und nominelle Temperaturzeitkurven </li></ul><ul><ul><li>„ feuerbeständig“ – F90 (90 Minuten Einheitstemperaturkurve/ETK) </li></ul></ul><ul><ul><li>„ hochfeuerhemmend“ – F60 (60 Minuten ETK) </li></ul></ul><ul><ul><li>„ feuerhemmend“ – F30 (30 Minuten ETK) </li></ul></ul><ul><li>Nominelle Temperaturzeitkurven </li></ul><ul><ul><li>Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) </li></ul></ul><ul><ul><li>Außenbrandkurve </li></ul></ul><ul><ul><li>Hydrocarbonkurve </li></ul></ul>Thermische Einwirkungen
  12. 12. Naturbrände <ul><li>Reale Schadensfeuer verlaufen signifikant anders als nominelle Kurven </li></ul><ul><ul><li>Gegenüber einem realen Brand birgt eine auf die ETK ausgelegte Konstruktion erhebliche Reserven </li></ul></ul><ul><ul><li>Nachweise mit Ingenieurmethoden basieren in der Regel auf so genannten Naturbränden, die sich an realen Brandverläufen und -lasten orientieren </li></ul></ul>
  13. 13. Vorteile von Naturbrandmodellen <ul><li>Der Brand wird realistischer modelliert, da sich i.d.R. nicht im ganzen Raum die durch nominellen Temperaturkurven attestierten Temperaturen einstellen </li></ul><ul><li>Gerade in großen Räumen oder bei geringen Brandlasten bzw. vorhandenen Löschmaßnahmen können Naturbrandmodelle erhebliche Reduktionen der Anforderungen bewirken </li></ul>
  14. 14. Beschreibung realistischer Brandeinwirkungen <ul><li>Der Quellterm, für die Nachweise mit Ingenieurmethoden, der sogenannte „Bemessungsbrand“ muss die wesentlichen Randbedingungen eines möglichen Feuers abbilden. </li></ul>Brandschutz-maßnahmen Feuer Brandlast Geometrie Ventilation
  15. 15. Bemessungsbrand <ul><li>Üblicherweise dient die Wärmefreisetzungsrate Q´(t) als Eingangsgröße in die Modelle zur Brandsimulation </li></ul><ul><li>Je nach nachzuweisendem Schutzziel können auch abwehrende und anlagentechnische Schutzmaßnahmen im Bemessungsbrand berücksichtigt werden </li></ul>Einflüsse auf den Brandverlauf Q(t) t Naturbrand Bemessungsbrand `
  16. 16. Wärmefreisetzungsrate Bemessungsbrand t 1 t 2 t 3 Entwick-lungs-phase Vollbrandphase Abklingphase 70% der Brandlast verbrannt
  17. 17. Brandbekämpfungsmaßnahmen Ausbreitung erreicht Brandabschnittsgrenzen Feuerwehr startet Bekämpfung nach ca. 20 Min Eingreifzeit Verkürzung der Eingreifzeit durch BMA Intervention time frühe Brandkontrolle durch Sprinklereingriff Aktivierungszeitpunkt
  18. 18. Zukunft: Pyrolysemodelle <ul><li>Die thermische Zersetzung und die Verbrennung wird nicht implizit über einen Bemessungsbrand, sondern direkt simuliert </li></ul><ul><li>Die mathematische Modellierung der physikalischen und chemischen Prozesse von realen Materialien während der Pyrolyse steht noch am Anfang der Forschung </li></ul>
  19. 19. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude </li></ul><ul><li>Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen </li></ul><ul><li>Simulation des Personenverhaltens </li></ul><ul><li>Ausführungsbeispiele </li></ul><ul><li>Zusammenfassung und Fazit </li></ul>
  20. 20. Simulation der Temperaturentwicklung <ul><li>als Eingangsgröße für die Brandschutztechnische Bemessung, d. h. die Gewährleistung der Standsicherheit bzw. Tragfähigkeit im Brandfall, ist immer dann erforderlich, wenn von bauordnungsrechtlichen Anforderungen hinsichtlich der Feuerwiderstandsfähigkeit abgewichen werden soll. </li></ul><ul><li>als zusätzliches Kriterium zur Bewertung der Personensicherheit und der Gewährleistung wirksamer Löscharbeiten </li></ul>
  21. 21. Simulation der Rauchausbreitung <ul><li>Zum Nachweis von raucharmen Schichten, zur Gewährleistung der Personensicherheit und wirksamer Löscharbeiten </li></ul><ul><ul><li>gefordert in Versammlungsräumen größer 1.000 m² </li></ul></ul><ul><ul><li>gefordert in Industriehallen mit Brandabschnittsflächen größer 1.600 m² </li></ul></ul><ul><ul><li>bei Abweichungen vom Regelbau </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>in Atrien, in denen Rettungswege über offene Gänge führen </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>in großen zusammenhängenden Bereichen (Bahnhöfen, Flughäfen, Verkaufsstätten) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Bemessung der Rauchableitung, d. h. ggf. Reduktion der erforderlichen Rauchabzugs- fläche (vor allem bei großen Räumen, z. B. Industriehallen) </li></ul></ul>
  22. 22. Modellierung der Brandeinwirkung <ul><li>Das Phänomen Feuer ist ein hochgradig in stationärer und komplexer Vorgang </li></ul><ul><li>Im Feuer laufen thermische Zersetzungsprozesse ab, Energie und Verbrennungsprodukte werden freigesetzt </li></ul><ul><li>Der entstehende Brandrauch besitzt infolge seiner Temperatur eine geringere Dichte als die Umgebungsluft und steigt auf </li></ul><ul><li>Es entsteht ein Unterdruck infolge der Aufstiegsgeschwindigkeit, es kommt zur Einmischung von Umgebungsluft und einer Vergrößerung der Rauchgasmenge die sich im Raum verteilt </li></ul><ul><li> Die korrekte Abbildung aller Phänomene ist noch Gegenstand aktueller Forschung.  Es existieren unterschiedlich Approximationsmethoden. </li></ul>
  23. 23. Brandwirkungen im Gebäude Vereinfachte Modelle Allgemeine Modelle Plume-Modelle , z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY Zonen-Modelle , z.B. CFAST, MRFC, FIGARO CFD-Modelle , z.B. FDS, CFX, COBRA, FLUENT Aufwand gering hoch
  24. 24. <ul><li>Wurden in der Regel auf Grundlage von Versuchen zur Beschreibung lokaler Brandereignisse ermittelt („Plumemodelle“) - z. B. McCaffrey, Heskestad, Zukoski) </li></ul><ul><li>dürfen nur im Rahmen der Randbedingungen der Versuche eingesetzt werden </li></ul><ul><li>z. B. Verfahren nach Heskestad/Hasemi </li></ul><ul><ul><li>für Räume > 400 m² </li></ul></ul><ul><ul><li>für Wärmefreisetzungsrate < 50 MW </li></ul></ul><ul><ul><li>D <= 10 m </li></ul></ul><ul><ul><li>Brandlastdichte >= 250 kW/m² </li></ul></ul>Vereinfachte Naturbrandmodelle
  25. 25. Realbrandkurven <ul><li>Beschreiben die Temperaturentwicklung im ganzen Raum </li></ul>Korrelation des zeitlichen Verlaufs T 2 t 2 T 3 t 3 T 1 t 1 Heißgastemperatur-zeitkurve Wärmefrei-setzungsrate
  26. 26. Zonenmodelle <ul><li>Unterscheidung zwischen Heißgasschicht und Kaltgasschicht im Brandraum </li></ul><ul><li>Jeweils homogene Temperatur und Rauchgaskonzentration in Heißgas und Kaltgasschicht </li></ul><ul><li>Mehrraum-Mehrzonenmodell ermöglicht die Kopplung von mehreren Räumen, Raumabschnitten und Rauchabschnitten </li></ul>
  27. 27. Zonenmodelle <ul><li>geeignet für: </li></ul><ul><li>einfache quaderförmige Geometrie </li></ul><ul><li>stabile Schichtung (Rauchabschnitt < ca. 3.000 m² und Höhe < ca. 25 m) </li></ul><ul><li>einfache Strömungsverhältnisse </li></ul><ul><li>Geringer Einfluss von Zulufteffekten </li></ul><ul><li>Vor- und Nachteile </li></ul><ul><li>einfache Handhabung, kurze Rechenzeit </li></ul><ul><li>keine Betrachtung lokaler Effekte möglich </li></ul>
  28. 28. CFD-Modelle <ul><li>C omputational F luid D ynamics </li></ul><ul><li>Räumliche Diskretisierung des Brandraumes, Einteilung des Raumes in Zellen (finite Volumen) (Zellenanzahl 100.000 bis einige Millionen) </li></ul><ul><li>Numerische Lösung der Erhaltungsgleichungen in jeder Zelle für: </li></ul><ul><ul><li>Masse </li></ul></ul><ul><ul><li>Energie </li></ul></ul><ul><ul><li>Impuls </li></ul></ul>
  29. 29. <ul><li>Im Verlauf von Bränden treten vor allem turbulente Strömungen auf </li></ul><ul><li>Modellierung der Turbulenz erforderlich </li></ul><ul><li>Turbulente Strömung </li></ul><ul><li>dreidimensional, instationär, unregelmäßig </li></ul><ul><li>Wirbel </li></ul><ul><li>Umwandlung von Energie in Wärme </li></ul><ul><li>durch viskose Reibung </li></ul><ul><li> Erhaltungsgleichungen gelten für laminare und turbulente Strömung </li></ul><ul><li>Die Auflösung, d. h. die Darstellung der Wirbel in der Simulation wird durch die gewählte Zellgröße begrenzt. </li></ul><ul><li> Je feiner desto genauer, aber signifikant höherer Rechenzeitbedarf </li></ul>CFD-Modelle
  30. 30. CFD-Modelle <ul><li>Vor allem geeignet für </li></ul><ul><ul><li>komplexe Geometrien </li></ul></ul><ul><ul><li>sowohl Vollbrand als auch lokale Brände und Effekte </li></ul></ul><ul><ul><li>komplexe Strömungsrand- bedingungen </li></ul></ul><ul><li>Vor- und Nachteile </li></ul><ul><ul><li>Betrachtung lokaler und globaler Effekte möglich </li></ul></ul><ul><ul><li>schwierigere Handhabung (Modellierung), lange Rechenzeiten bei erhöhter Genauigkeit </li></ul></ul>
  31. 31. Zusammenfassung Eignung der Verfahren <ul><li>Plumemodelle können gut für Überschlagsberechnungen in großen und hohen Gebäuden eingesetzt werden (z. B. Industriehallen) </li></ul><ul><li>Realbrandkurven und Zonenmodelle bieten gute Lösungen für sehr einfache Geometrien </li></ul><ul><li>CFD ist praktisch für alle Fälle geeignet, aber ständig wachsende Anforderungen </li></ul><ul><ul><li>sehr komplexe und große Gebäude </li></ul></ul><ul><ul><li>Immer feinere Diskretisierung </li></ul></ul><ul><ul><li>Immer komplexere Fragestellungen (Entrauchung, Wind, Sommerfall) </li></ul></ul><ul><ul><li> CFD ist der Stand der Technik </li></ul></ul>
  32. 32. Geometriemodellierung von CFD-Modellen <ul><li>Die Geometrie des Gebäudes muss in der Zellauflösung diskretisiert werden, üblich sind derzeit 0,25 m </li></ul><ul><li>Schwierig sind daher Schrägen, Bögen, … </li></ul><ul><li>Durchschnittliche Gebäude können bereits 4,000,000 Zellen benötigen </li></ul><ul><li>Verwendung von Präprozessoren mit erweiterten Möglichkeiten </li></ul><ul><ul><li>CAD-Import </li></ul></ul><ul><ul><li>Einfache geometrische Manipulationen (kopieren, bewegen, drehen, spiegeln, …) </li></ul></ul>
  33. 33. Parallelisierung <ul><li>Pro Prozessor (4 GB Speicher, 3 Ghz) können lediglich ca. 2,000,000 Zellen in vertretbarer Zeit gelöst werden  Parallelisierung erforderlich </li></ul><ul><li>Computersysteme mit großer Anzahl von Prozessoren und großer Hauptspeichermenge </li></ul><ul><li>Cluster bei hhpberlin: 72 Prozessoren, über 250 GB Hauptspeicher </li></ul><ul><li>Benutzt über Batch-Queing Systems (Microsoft HPC) </li></ul><ul><li>hhpberlin investiert in die Weiterentwicklung des Fire Dynamics Simulator zur Verbesserung der Qualität der Parallelisierung </li></ul>
  34. 34. Beispiel: Versammlungsstätte <ul><li>Gebäude mit komplexer Geometrie </li></ul><ul><ul><li>u. a. Ränge in zwei Richtungen geneigt, komplexe Zuluftführung </li></ul></ul>
  35. 35. Beispiel: Flugzeughangar <ul><li>Gebäude mit großen Abmessungen (120 m x 80 m x 30 m) </li></ul><ul><li>komplexes Dachtragwerk </li></ul><ul><li>ca. 24.000.000 Rechenzellen, mehrere Wochen Rechenzeit (16 CPUs) </li></ul>
  36. 36. Auswertung der Schutzzielkriterien <ul><li>Graphisch anhand von Animationen, Konturplots, Zeitverlaufskurven </li></ul>Simulation der Rauchausbreitung
  37. 37. Momentane Anwendungsgrenzen <ul><li>Komplexe Strömungen, z. B. Wind auf die Fassade (Rechenzeit, bemessungsrelevanter Fall) </li></ul><ul><li>Realistischere Modellierung von Bränden über Pyrolysemodelle </li></ul><ul><li>Geometrische Besonderheiten wie Durchströmung von Spalten, Membranen u.Ä. </li></ul><ul><li>Berücksichtigung anlagentechnischer Brandschutz- maßnahmen und haustechnischer Anlagen, z. B. </li></ul><ul><ul><li>Komplexe Lüftungs- und Entrauchungsanlagen (z. B. Drallentrauchung, Entrauchung über Wirbel </li></ul></ul><ul><ul><li>Sprinkleranlagen, Hochdruckwassernebel </li></ul></ul>
  38. 38. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Rauchausbreitung im Gebäude </li></ul><ul><li>Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen </li></ul><ul><li>Simulation des Personenverhaltens </li></ul><ul><li>Ausführungsbeispiele </li></ul><ul><li>Zusammenfassung und Fazit </li></ul>
  39. 39. Brandschutztechnische Bemessung <ul><li>Zukünftig wird der Eurocode (DIN EN 1991-1-2) für die Bemessung von Bauteilen auch Naturbrände zulassen </li></ul><ul><ul><li>dann Anwendbarkeit der brandschutztechnischen Bemessung von Bauteilen gesetzlich geregelt </li></ul></ul><ul><ul><li>derzeit: nur mit Zustimmung der Bauaufsichtsbehörde </li></ul></ul><ul><li>Aber: Viele europäische Länder haben aufgrund von Mängeln im Sicherheits-konzept nach DIN EN 1991-1-2 Anhang E die Einführung abgelehnt </li></ul><ul><ul><li>Entwicklung eines neuen Sicherheitskonzepts am iBMB der TU Braunschweig </li></ul></ul><ul><ul><li>Berücksichtigung anlagentechnischer Maßnahmen möglich </li></ul></ul><ul><ul><li>Implementierung des Sicherheitskonzeptes in NA Anhang BB </li></ul></ul><ul><ul><li> wird von hhpberlin bereits jetzt für Nachweise angewendet </li></ul></ul>
  40. 40. Nachweiskonzept der Eurocodes (EC-x-1-2) <ul><li>Nachweisverfahren in 3 Stufen: </li></ul><ul><li>Stufe 1: Tabellarische Daten </li></ul><ul><ul><li>Einzelbauteile </li></ul></ul><ul><ul><li>Mindestabmessungen usw. analog DIN 4102 Teil 4  präskriptiv </li></ul></ul><ul><ul><li>Stufe 2: Vereinfachte Rechenverfahren Einzelbauteile </li></ul></ul><ul><ul><li>ingenieurmäßige Nachweise für die Praxis </li></ul></ul><ul><li>Stufe 3: Allgemeine Rechenverfahren </li></ul><ul><ul><li>Teiltragwerke, Gesamttragwerk </li></ul></ul><ul><ul><li>„ exakte“ rechnerische Brandsimulation für beliebige Temperaturbeanspruchung </li></ul></ul>Ingenieur-methoden (Simulation)
  41. 41. <ul><li>Thermische Analyse </li></ul><ul><ul><li>Ermittlung des Wärmestroms auf die Bauteile infolge der Temperaturbeanspruchung (Feldmodelle) </li></ul></ul><ul><ul><li>Berechnung der Temperaturverteilung im Querschnitt (FEM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Mechanische Analyse (FEM) </li></ul></ul><ul><ul><li>Gleichgewichtszustand im Querschnitt </li></ul></ul><ul><ul><li>thermische Dehnung </li></ul></ul><ul><ul><li>Eigenspannungen </li></ul></ul><ul><ul><li>Gleichgewichtszustand für das Tragsystem </li></ul></ul><ul><ul><li>Zwangspannungen </li></ul></ul><ul><ul><li>geometrische Imperfektionen (Theorie II. Ordnung) </li></ul></ul>Stufe 3 – Allgemeines Rechenverfahren Eurocodes T 1 T 2 T 3  
  42. 42. Temperaturabhängige Materialeigenschaften Beton Eurocodes thermisch mechanisch
  43. 43. Wärmeleitung Thermische Analyse Eurocodes
  44. 44. Mechanische Analyse Eurocodes -0.004 0 0.004 0.008 Dehnung [-] Temperatur 0 200 400 600 Temperatur [°C] 20°C 400°C 600°C 800°C
  45. 45. Mechanische Analyse Eurocodes
  46. 46. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Beschreibung der Brandeinwirkung </li></ul><ul><li>Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude </li></ul><ul><li>Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen </li></ul><ul><li>Simulation des Personenverhaltens </li></ul><ul><li>Ausführungsbeispiele </li></ul><ul><li>Zusammenfassung und Fazit </li></ul>
  47. 47. Anwendungsgebiete Entfluchtungsberechnung <ul><li>Bahnhöfe, Arenen, Flughäfen etc. (große Personenzahlen) </li></ul><ul><li>Verkaufsstätten </li></ul><ul><li>Krankenhäuser </li></ul><ul><li>Umnutzung, Bestand und sonstige Gebäude mit Abweichungen von baurechtlichen Vorgaben </li></ul><ul><ul><li>z. B. wenn 0,6 m Ausgangsbreite je 100 Personen nicht erfüllt </li></ul></ul><ul><ul><li>Nachweis in Verbindung mit Entrauchungssimulation (Rettungswege über potentiell verrauchte Bereiche, z. B. Atrien) </li></ul></ul><ul><li>(Großveranstaltungen) </li></ul>
  48. 48. Ziele von Entfluchtungsberechnungen <ul><li>Optimierung des Gebäudedesigns </li></ul><ul><ul><li>Erkennen und Vermeiden kritischer Situationen, z. B. von Staus und Engstellen </li></ul></ul><ul><ul><li>Optimierung der Flächenausnutzung, d. h. Rettungsweganzahl, -breite und Mietfläche, z. B. in Verkaufsstätten oft eine Einsparung von bis zu 30 % Rettungswegbreite möglich </li></ul></ul><ul><li>Aussagen über Räumzeiten </li></ul>
  49. 49. Methoden „ Vereinfachte“ Verfahren „ Exakte“ Verfahren Handformeln , z.B. nach SPFE Handbook, vfdB Leitfaden Individualmodelle hier BUILDING EXODUS, fds+evac Aufwand gering hoch <ul><li>Zeit für das Durchströmen der Ausgänge </li></ul><ul><li>Zeit für das Zurücklegen des Weges </li></ul>
  50. 50. Individualmodelle <ul><li>Grundannahme: </li></ul><ul><li>Individuelle Bewegung von Einzelpersonen </li></ul><ul><li>Personendichte ist keine Eingangsgröße, sondern Teil der Berechnung </li></ul><ul><li>persönliche Parameter und Entscheidungen können berücksichtigt werden </li></ul><ul><li>Modelltypen: </li></ul><ul><li>räumlich diskret </li></ul><ul><li>Kontinuierlich </li></ul>
  51. 51. Vorgehensweise <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></ul><ul><ul><li>Personenverteilung </li></ul></ul><ul><ul><li>Wahl des Fluchtweges </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. Ausfall von Fluchtwegen </li></ul></ul><ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Berechnungsparameter </li></ul><ul><ul><li>Gehgeschwindigkeiten </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge </li></ul></ul><ul><ul><li>Pre-movement time + Reaktionszeit </li></ul></ul>
  52. 52. Vorgehensweise <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></ul><ul><ul><li>Personenverteilung </li></ul></ul><ul><ul><li>Wahl des Fluchtweges </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. Ausfall von Fluchtwegen </li></ul></ul><ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Berechnungsparameter </li></ul><ul><ul><li>Gehgeschwindigkeiten </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge </li></ul></ul><ul><ul><li>Pre-movement time + Reaktionszeit </li></ul></ul>
  53. 53. Vorgehensweise <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></ul><ul><ul><li>Personenverteilung </li></ul></ul><ul><ul><li>Wahl des Fluchtweges </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. Ausfall von Fluchtwegen </li></ul></ul><ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Berechnungsparameter </li></ul><ul><ul><li>Gehgeschwindigkeiten </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge </li></ul></ul><ul><ul><li>Pre-movement time + Reaktionszeit </li></ul></ul>
  54. 54. Anwendungsgrundsätze <ul><li>Festlegung ausreichend konservativer Szenarien </li></ul><ul><ul><li>Personenbelegung </li></ul></ul><ul><ul><li>Personenverteilung </li></ul></ul><ul><ul><li>Wahl des Fluchtweges </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. Ausfall von Fluchtwegen </li></ul></ul><ul><li>ausreichend konservative Berechnungsparameter </li></ul><ul><ul><li>Gehgeschwindigkeiten </li></ul></ul><ul><ul><li>ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge </li></ul></ul><ul><ul><li>Pre-movement time + Reaktionszeit </li></ul></ul>
  55. 56. <ul><li>Die für die Evakuierung erforderliche Zeit + Zuschlag muss kleiner sein als die verfügbare Zeit, z. B. </li></ul><ul><ul><li>Zeitdauer einer raucharmen Schicht </li></ul></ul><ul><ul><li>Feuerwiderstandsdauer der Bauteile </li></ul></ul><ul><li>Die Evakuierungszeit setzt sich zusammen aus: </li></ul><ul><ul><li>Zeitdauer bis zur Detektion des Brandes t Detektion </li></ul></ul><ul><ul><li>Alarmierungszeit t Alarm </li></ul></ul><ul><ul><li>Reaktionszeit der Personen t Reaktion </li></ul></ul><ul><ul><li>Laufzeit t Flucht </li></ul></ul>Nachweise mit Entfluchtungsberechnungen  t Räumung + X  t verfügbar t Räumung = t Detektion + t Alarm + t Reaktion + t Flucht
  56. 57. Zusammenfassung und Fazit <ul><li>Leistungsorientierte Brandschutzbemessung zurzeit noch Ausnahmefall </li></ul><ul><li>Eurocodes ermöglichen leistungsorientierte Brandschutzbemessung mit Naturbrandverfahren </li></ul><ul><li>Oft schwierig maßgeblichen Temperaturzeitverlauf zu bestimmen </li></ul><ul><li>Objektspezifisches Brandschutzkonzept erforderlich </li></ul><ul><li>Heißbemessungen werden immer häufiger verlangt </li></ul>
  57. 58. Zusammenfassung und Fazit <ul><ul><li>Festlegung des maßgeblichen Brandszenarios bzw. Bemessungsbrandes (Naturbrandverfahren) </li></ul></ul><ul><ul><li>Simulation von Brandeinwirkung (Naturbrand) </li></ul></ul><ul><ul><li>Brandschutzbemessung durch Vereinf. bzw. allgem. Berechnungsverfahren der Eurocodes </li></ul></ul>Vorgehensweise bei Naturbrandverfahren
  58. 59. <ul><li>Erwärmungsberechnung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren </li></ul><ul><li>- Allgemeines Berechnungsverfahren </li></ul><ul><li>Heißbemessung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren (Temperaturebene, Tragfähigkeitsebene) </li></ul><ul><li>- Allgemeines Berechnungsverfahren </li></ul><ul><li>Vereinfachtes Berechnungsverfahren: - Einzelbauteile - Ungezwängte Bauteile </li></ul><ul><li>Allgemeines Berechnungsverfahren: - Gezwängte Bauteile </li></ul><ul><li>- Gesamttragsysteme </li></ul>Brandschutzbemessung Zusammenfassung und Fazit
  59. 60. Zusammenfassung und Fazit <ul><li>Leistungsorient. Bemessung ist aufwändige Vorgehensweise </li></ul><ul><ul><li>Berechnung Erwärmung </li></ul></ul><ul><ul><li>Simulation Tragverhalten </li></ul></ul><ul><ul><li>Abstimmung mit Genehmigungsbehörden </li></ul></ul><ul><ul><li>=> Anwendung zurzeit nur in Einzelfällen </li></ul></ul><ul><li>Wann rentiert sich leistungsorientierte Bemessung (Heißbemessung)? </li></ul><ul><ul><li>Stahlkonstruktionen </li></ul></ul><ul><ul><li>Bestehende Stahlbetonkonstruktionen </li></ul></ul><ul><ul><li>Bemessung nach DIN 4102 nicht möglich oder Feuerwiderstandsdauer zu gering </li></ul></ul><ul><li>Optimierte Tragkonstruktion </li></ul><ul><ul><li>Geringe Dimensionierung der Querschnitte </li></ul></ul><ul><ul><li>Verringerung von Bekleidungsmaßnahmen </li></ul></ul><ul><ul><li>Wirtschaftliche Konstruktion </li></ul></ul>
  60. 61. Team Ingenieurmethoden bei hhpberlin

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