Brandsimulation

Rauchausbreitung, Sichtweiten und Bauteiltemperaturen realitätsnah berechnen
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Brandsimulation

Mit Brandsimulationen werden Rauchausbreitung, Sichtweiten und Bauteiltemperaturen realitätsnah und zuverlässig berechnet. Auf diesem Weg können Nachweise für Gebäude erbracht werden, die mit konventionellen Nachweisen nicht genehmigungsfähig wären. Aus den Simulationsergebnissen abgeleitete gezielte Maßnahmen können die Sicherheit für Gebäude und Personen dabei sogar erhöhen.

Simulation in 4 Schritten

Um ein Simulationsmodell zu erstellen, wird auf der Basis der gewünschten Schutzziele eine Risikoanalyse durchgeführt. Daraus ergeben sich Brandszenarien, die so definiert werden, daß sie möglichst kritische Situationen abbilden. Die Geometrie des Gebäudes wird in der Regel aus CAD-Daten in die Simulationssoftware importiert.

Mit Hilfe von Fachliteratur und Datenblättern der Brandschutztechnik werden die technischen Eingabedaten für das Brandszenario zusammengestellt, z.B. der Verlauf der Energiefreisetzung des Brandes oder Entzündungstemperaturen. Für die Simulation sind leistungsfähige Server erforderlich, die Simulationszeit kann je nach Komplexität der Aufgabe und des Modells mehrere Stunden bis zu einigen Tagen betragen. Sie erhalten einen Simulationsbericht für den Nachweis und Videos vom Ablauf der Simulation, auf Wunsch eine Präsentation der Ergebnisse online oder vor Ort. 

1. Angebot erstellen

Erforderliche Basisdaten:

  • CAD-Pläne oder Grundrisse und Art der Nutzung
  • Schutzziele (z.B. Sichtweite/Bauteiltemperatur/Brandüberschlag)
  • Angaben zur geplanten Brandschutztechnik (z.B. Ventilatoren, Sprinkler)

2. Brandszenarien festlegen und abstimmen

  • Risikoanalyse für die erforderlichen Schutzziele
  • Definition und Abstimmung von Brandszenarien
  • Position und Größe der Brandfläche
  • Zeitverlauf der Energiefreisetzungsrate
  • Brandausbreitung
  • Ventilation, Brandmeldetechnik, Sprinkler
  • Abstimmung mit Auftraggeber und prüfender Stelle

3. 3D-Modell für die Brandsimulation aufbauen

  • Basis: 3D- oder 2D-CAD-Daten oder Grundrisspläne
  • Software zur Modellerstellung: PyroSim

4. Durchführung der Simulation

  • Eigene leistungsfähige Multi-Core Server zur Simulation großer Modelle
  • Typische Simulationszeit: 0,5 bis 5 Tage
  • Dokumentation durch einen Bericht und durch Videos der Simulation
  • Auf Wunsch Präsentation der Ergebnisse online/vor Ort
  • Fertigstellung: ca. 4-6 Wochen nach Anfrage

Unser Leistungsspektrum für Brandsimulationen

Für die Computersimulation von Bränden werden die Methoden der numerischen Strömungsmechanik angewendet (engl. CFD – Computational Fluid Dynamics). Damit können Strömungen von Gasen bei einem Brand in komplexer Raumgeometrie abgebildet werden. Dank jahrzehntelanger Entwicklung dieser Methoden und dank der hohen Leistung heutiger Computer ist die Simulation zuverlässig und auch in einer angemessenen Zeit verfügbar. Wir arbeiten mit der Software FDS (Fire Dynamics Simulator). Für den Modellaufbau aus CAD-Daten und die Auswertung verwenden wir die Software PyroSim.

Sichtweite

Der Nachweis einer ausreichenden Sichtweite wird während der Evakuierung von Personen erforderlich und um wirksame Löscharbeiten durch die Feuerwehr sicherzustellen.

Mit Brandsimulationen kann ermittelt werden, welche Sichtweite im Verlauf eines Brandes an jedem Ort im Gebäude vorhanden ist. Die Einschränkung der Sichtweite hängt dabei von der im Rauchgas enthaltenen Menge an Ruß ab. Entsprechend den anzusetzenden Brandlasten und den Ventilationsbedingungen ergibt sich aus der Strömungssimulation mit dem Rauchgas die gesuchte Sichtweite. Die Ergebnisse können in Form von als 2D- oder 3D-Farbkonturen oder als Diagramme dokumentiert werden. Videos mit 3D-Animationen der Temperatur- und Sichtweitenkontur sind sehr nützlich zum Verständnis der physikalischen Vorgänge und zum Auffinden von Lösungen für eine optimale Entrauchung.

Bauteiltemperatur

Mit Brandsimulationen kann die Temperatur von Bauteilen berechnet werden, z.B. um Nachweise für Bauteile zu erbringen, die nicht den nach Bauordnung erforderlichen Feuerwiderstand besitzen.

 

Brandüberschlag an Fassaden

Um nachzuweisen, dass die bei Hochhäusern in der Bauordnung vorgeschriebene feuerbeständige Brüstung nicht oder nicht in voller Höhe erforderlich ist, wird der Brandüberschlag an Fassaden simuliert.

Rauchschutz-Druckanlagen

Durch Rauchschutz-Druckanlagen (RDA) können Treppenräume und Flure vor Raucheintritt geschützt werden. Die korrekte Funktion einer geplanten RDA kann durch Brandsimulationen nachgewiesen werden.

Kombinierte Brand- und Evakuierungssimulation

Zum Nachweis der sicheren Evakuierung von Personen können Brand- und Evakuierungssimulation für das gleiche Szenario parallel durchgeführt werden. Die mögliche Belastung der flüchtenden Personen mit Rauchgas wird quantitativ ausgewertet.

Nachweis von Gaskonzentrationen (z.B. CO)

Brandsimulationen können zum Nachweis für bestimmte zulässige Gaskonzentrationen z.B. durch Abgas von Fahrzeugen in Tiefgaragen angewendet werden.

Fragen & Antworten rund um Simulations­software

Welche Nachweise sind auf der Basis einer Brandsimulation möglich?

Die am häufigsten gesuchten Ergebnisse von Brandsimulationen sind die Sichtweite und die Bauteiltemperaturen im Verlauf des Brandes. 

Sichtweite. Die Sichtweite ist einerseits in der Phase der Evakuierung von Personen von Bedeutung, andererseits nach dem Eintreffen der Feuerwehr, um wirksame Löscharbeiten zu ermöglichen. Ob die Sichtweite die vorgegebenen Mindestanforderungen erfüllt, kann mit den Simulationsergebnissen nachgewiesen werden. Durch die anschauliche grafische Darstellung der Simulationsergebnisse mit Bildern und Videos können Brandschutzplaner die Ventilationsvorgänge besser verstehen und bei Bedarf die Größe und Anordnung der Öffnungen oder Ventilatoren optimal auslegen.  

Bauteiltemperatur. Das Ziel von Temperaturnachweisen ist oft die Berechnung der maximalen Temperatur für ein bestehendes oder geplantes Tragwerk, das die Anforderungen an den Feuerwiderstand nach Bauordnung nicht erfüllt. Wenn bei der Simulation eines besonders ungünstigen Brandszenarios Temperaturen auftreten, die für die statische Tragfähigkeit der Bauteile zulässig sind, ist dieser Nachweis erbracht. 

Ein weiterer typischer Anwendungsfall ist der Brandüberschlag an Fassaden, deren Geometrie von den Forderungen der Bauordnung abweicht. Durch Brandsimulationen kann die Temperatur auf den Fensterscheiben der Geschosse über dem Brand für ein möglichst ungünstiges Szenario berechnet werden. Der Nachweis wird erbracht, wenn die Temperaturverteilung auf den Fenstern nicht das Niveau erreicht, bei dem mit der Zerstörung der Fenster zu rechnen ist.

Welchen Vorteil bietet die Kombination von Brand- und Evakuierungssimulationen?

Wenn Brand- und Evakuierungssimulationen mit PyrSim/FDS und Pathfinder erstellt werden, können die Ergebnisse verknüpft werden, um den Einfluss des Brandrauchs auf die Evakuierung zu simulieren. Dabei wird einerseits berücksichtigt, dass Personen bei eingeschränkter Sichtweite langsamer laufen, andererseits kann das ggf. entlang der Rettungswege eingeatmete Rauchgasvolumen zur Bewertung der Mobilität der flüchtenden Personen verwendet werden. Dafür wird aus den Ergebnissen beider Simulationen die Fractional Effective Dose (FED) für jede Person während ihrer Evakuierung berechnet (ISO/DIS 13571).

Werden Simulationsnachweise in Baugenehmigungen anerkannt? Auf welcher Basis?

Nach Eurocode EN 1991-1-2, Abschnitt 3.3: Naturbrandmodelle darf die Tragwerksbemessung im Brandfall mittels Simulationsmodellen unter der Annahme eines Naturbrandes erbracht werden. 

Anstelle der Klassifizierung von Bauteilen mittels Laborversuchen unter Anwendung der Einheitstemperaturzeitkurve (ETK) ist es demnach auch zulässig, den Nachweis durch Naturbrandsimulationen zu erbringen. In vielen Fällen kann dadurch eine wirtschaftliche Lösung gefunden werden, ohne die Sicherheit unzulässig einzuschränken.

Diese Nachweise werden von den Behörden anerkannt, vorausgesetzt, dass sie auf dem Stand der Technik erstellt wurden und die Quellen für alle wesentlichen Eingabedaten dokumentiert werden. Das simulierte Brandszenario sollte dabei möglichst ungünstig gewählt und bestenfalls vor der Simulation mit der prüfenden Stelle abgestimmt werden. 

Welche Daten und Informationen werden zur Erstellung einer Brandsimulation benötigt?

  • Gebäudegeometrie als Grundrissplan, 2D- oder 3D-CAD-Daten, BIM-Daten
  • Schutzziele: z.B. Temperatur, Sichtweite, Brandüberschlag
  • Angaben zur Nutzung oder Angaben zur Art der vorhandenen Brandlasten und möglichen Zündquellen
  • Angaben zur Zuluft und Entrauchung (natürlich/maschinell, Steuerung manuell/automatisch durch BMA)
  • ggf. Angaben zur Brandmeldeanlage und Sprinklerung
  • ggf. vorliegende Forderungen der prüfenden Stelle zum Umfang des Nachweises (Anzahl und Art der Brandszenarien)

Wie lange dauert die Bearbeitung eines Simulationsprojekts?

Simulationsprojekte mit mittlerer Größe, z.B. für Industriehallen, Bürogebäude, Schulen, werden von SIMTEGO meistens innerhalb von 4-8 Wochen bearbeitet. Die Bearbeitung schließt i.d.R. folgende Leistungen ein:

  • Risikoanalyse
  • Definition und Abstimmung von Brandszenarien
  • Modellaufbau
  • Durchführung der Simulation
  • Erstellung des Berichts/ Präsentation der Ergebnisse

Die Simulation wird auf einem unserer Multi-Core Server durchgeführt. Die Laufzeit beträgt abhängig von der Modellgröße, dem Brandszenario und der erforderlichen geometrischen Auflösung zwischen einigen Stunden und einigen Tagen.  

Sind die Simulationsergebnisse zuverlässig?

Für die Brandsimulation wird von SIMTEGO die auf einem Feldmodell basierende Software Fire Dynamics Simulator (FDS) eingesetzt. FDS wird vom NIST (National Institute of Standards and Technology, USA) des United States Department of Commerce in Zusammenarbeit mit dem VTT (Technical Research Centre of Finland) entwickelt und wird aktuell von den führenden Brandschutzberatungsfirmen in Deutschland und weltweit eingesetzt. Der Fire Dynamics Simulator basiert auf einer Berechnungsmethode, die nach den „allgemein anerkannten Regeln der Technik“ aufgestellt und veröffentlicht wurde und in der Fachwelt als ausreichend verifiziert eingestuft wird.