COMPUTERANALYSEN

Ingenieurmethoden im Brandschutz

Das Ingenieurwesen war bereits in der Vergangenheit und ist auch gegenwärtig noch eine der treibenden Kräfte der menschlichen Zivilisation. Die modernen Ingenieurwissenschaften stützen sich dabei in ihrem Ursprunge auf Erkenntnissen der klassischen Mechanik.

Auch innerhalb des modernen Brandschutzes werden Ingenieurverfahren immer häufiger anerkannt und eingesetzt. Sie tragen zur besseren Personensicherheit sowie dem besseren Sach- und Umweltschutz wesentlich bei.

Die Brandschutzziele in den meisten Ländern basieren zwar immer noch auf bauordnungsrechtlichen Anforderungen doch besonders bei komplexeren Fragestellungen erweist sich der Einsatz von ingenieurmäßigen Berechnungsverfahren zum rechnerischen Nachweis ausreichender Brandsicherheit als unentbehrlich.

Als Team praxiserfahrener Brandschutzingenieure und -sachverständigen (zum Teil auch mit wissenschaftlichem Background) verwenden wir die gängigen, weltweit anerkannten Ingenieurmethoden in unseren qualitativ hochwertigen Berechnungs- und Beratungsdienstleistungen. Neben dem Aufbau von Know-how im Brandschutzbereich haben wir zudem eigene Software-Lösungen entwickelt, die eine effektive und wirtschaftliche Betrachtung ermöglichen.

Die gängigsten Ingenieurmethoden in unserem Portfolio sind u.a.: CFD-(„Computational Fluid Dynamics”)-Modellierungen, numerische Lösungen von Randwertproblemen, Multi-Agenten-Modellierungen sowie Monte-Carlo-Methoden. Durch ingenieurmäßige Verfahren und entsprechende Software-Lösungen lassen sich Auswirkungen von Brandereignissen berechnen und daraus Brandschutzkonzepte ableiten. Die Verifizierung der Wirksamkeit der Brandventilation; die Bewertung der Personensicherheit und Rettungskräfte; die Analyse der Evakuierungsvorgänge; die quantitative Analyse des Brandrisikos; die Heißbemessung von Tragwerken im Brandfall sowie die Bewertung des Gefährdungspotentials infolge schwerer Störfälle und Explosionsgefahren von Industrieanlagen gehören zu den wichtigsten Ergebnissen unserer Brandschutz-Aktivitäten.

Verifizierung wirkungsvoller Entrauchung

Die CFD-Analysen gehören zu den gängigsten Methoden der ingenieurmäßigen Behandlung im Brandschutz. Sie werden angewendet, um die Masse- und Wärmeströmungen, die infolge eines potenziellen Brandes generiert werden, möglichst realitätsnah vorherzubestimmen. Die im Rauch enthaltenen Reiz-Partikeln vermindern die Sichtweite, reizen die Augen, stören den natürlichen Atemprozess und führen dadurch direkt zur Fluchtunfähigkeit. Toxische Verbrennungsprodukte sowie eine hohe Konzentration und Ausbreitung von CO, CO2 und N2 sind die häufigsten Verletzungs- und Todesursachen. Hinzu kommt noch die Wärmestrahlung, die Verbrennungen der Haut und Atemwege sowie den thermischen Schock verursachen.

Anhand von den CFD-Analysen kann die die Wärme-und Rauchübertragung, die durch den Brand generiert werden, in realitätsnahen Abbildungen/ Modellen unter Gegebenheiten des angenommenen Brandszenarios simuliert werden. Damit lassen sich Wirksamkeit und Funktionsumfang der eingesetzten anlagentechnischen Brandschutzmaßnahmen bewerten wie z.B.

Die daraus gewonnenen Ergebnisse und Rückschlüsse ermöglichen bereits bei der Projektierung, dass eventuelle Sicherheitsmängel frühzeitig erkannt und beseitigt werden können, als auch die geforderten Schutzziele wirtschaftlicher erarbeiten zu können. Des Weiteren sind die CFD-Brandsimulationen bei der Projektierung von unterirdischen Parkhäusern ab bestimmten Flächengrößen unabdingbar.

Bei unserer CAF-Modellierung nutzen wir die Fire Dynamics Simulator(FDS)-Software, die derzeit das weltweit anerkannte und fortgeschrittenste Werkzeug der ingenieurmäßigen Behandlung von Bränden darstellt. Sie ermöglicht eine Vielzahl unterschiedlichster Brände zu definieren, darunter bspw. die Modellierung von Pyrolysevorgängen und Löschauswirkungen. Damit lassen sich maßgebliche Abbildungen eines wirkungsvollen Funktionsumfanges anlagentechnischer Brandschutzeinrichtungen und auch deren Wirkungsweise bestimmen.

Außer FDS werden – je nach den von unseren Kunden zu erwartenden Ergebnissen – auch zusätzliche renommierte Brandsimulationsprogramme wie Zonenmodelle CFAST, B-RISK sowie FireFOAM, welches auf der numerischen Strömungsmechanik auch basiert, von unserem Team eingesetzt.

Modellierung von Evakuierungsprozessen

Im Rahmen der Anwendung von Ingenieurmethoden zur Bewertung der Personensicherheit bei Raumbränden ist primär die anerkannte ASET/RSET-Analysemethode zu nennen, bei der die verfügbare Räumungszeit (ASET) mit der zur Flucht benötigten Zeit (RSET) verglichen wird. Dabei gilt ASET > RSET.

Die ASET-Bestimmung erfolgt in der Regel mittels CFD-Brandsimulationen. Der RSET-Wert für Gebäude mit einfachen Raumgeometrien, geringer Fluchtwegkomplexität und Personenbelegung kann dagegen analytisch ermittelt werden. Für Bauwerke mit größerer Fluchtwegkomplexität und Personenbelegung kann jedoch der analytische Ansatz durch Fehler belastet werden. In solchen Fällen werden entsprechende numerische komplexe Simulationsmodelle angewendet, die u.a. sowohl Verhalten einzelner Personen, als auch kollektives Verhalten bei Entfluchtung berücksichtigen.

Für unsere Evakuierungsmodelle verwenden wir die Multi-Agenten-Software PATHFINDER sowie die von uns entwickelte Simulations-Software A-EVAC. Anhand von A-EVAC lassen sich Evakuierungszeiten unter Berücksichtigung der Architekturkomplexität, Staubildungen sowie Einsatzmöglichkeiten von objekteigenem Personal (z.B. in Krankenhäusern) möglichst exakt ermitteln.

Als eines der wenigen Ingenieurbüros für Brandschutz verbinden wir in unseren Modellen die Brand- und Evakuierungssimulationen, wodurch sich die Wirkung von Rauch und Wärme auf Personen vorherbestimmen lässt.

Quantitative Brandrisikoanalyse

Die derzeit existierenden Verfahren im Brandschutzingenieurwesen basieren meistens auf deterministischen Grundlagen. Dies bedeutet, dass die Brandsicherheit auf Grundlage einer geringen Anzahl von subjektiv angenommenen Brandszenarien (Fire Szenarios) bestimmt wird. Ein sinnvoller Einsatz solcher Methoden scheint für viele typische und iterative Architekturlösungen effektiv und effizient zu sein, weil sie auf einer kollektiven Wissensbasis und Erfahrungen mit solchen Architekturen wie auch auf Sicherheitsrandbedingungen beruhen.

Solch ein deterministisches Vorgehen ist bei modernen, innovativen und komplexeren Architekturen jedoch durch eine hohe Unzuverlässigkeit/ Unsicherheit belastet. In solchen Fällen kann eine Risikoanalyse, die auf einer geringen Anzahl von subjektiv festgelegten Brandszenarien basiert, wesentliche Schwachstellen im Brandschutz verursachen, wenn z.B. auf die ungünstigsten Szenarien verzichtet wird. Andererseits können unnötige Kosten für die Brandschutzmaßnahmen entstehen, wenn Brandszenarien mit minimalster Wahrscheinlichkeit angenommen werden.

Frei von solchen Begrenzungen und Fehlern ist der probabilistische Ansatz. Bei probabilistischen Analysen werden alle möglichen Brandszenarien innerhalb eines Gebäudes mit einbezogen. Diese Szenarien können dann in Untergruppen je nach Brandfolgen geteilt werden. Für jede dieser Unterguppen wird wiederum die Wahrscheinlichkeit von Brandausfällen herausgerechnet. Infolge dessen lässt sich eine quantitative Brandrisikoanalyse durchführen, welche den State-of-the-Art im modernen Brandschutz darstellt/repräsentiert.

Unser Unternehmen ist eines der wenigen Ingenieurbüros, welches quantitative Brandrisikoanalysen durchführt. Ein zusätzliches Ergebnis unserer Berechnungen ist eine Kosten-Nutzen-Analyse, die auf dem LQI (Life Quality Index)-Konzept beruht und eine zweckmäßigere und wirtschaftlichere Gestaltung des Brandschutzes ermöglicht.

Wir haben zudem die Aamks-Software geschaffen, die derzeit die fortgeschrittenste und ganzheitlichste Softwarelösung zum Durchführen von quantitativen Brandrisikoanalysen darstellt/ repräsentiert.

Modellierung von Tragwerken unter Brandbeanspruchung (Heißbemessung)

Eurocodes sind grundlegende europäische Normen in der Tragwerksplanung, die als vereinheitlichte Regeln definiert wurden. Diese Normen behandeln auch die Bemessung von Tragwerken unter Brandbeanspruchung.

Die Bemessung ausreichender Standsicherheit von Tragkonstruktionen im Brandfall erfolgt derzeit in den meisten Ländern üblicherweise unter Zugrundelegung der sog. nominellen Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK). Dieses Vorgehen kann jedoch in vielen Brandvorgängen mit Fehlern behaftet sein. In vielen Fällen wird nämlich der reale/ genaue Verlauf eines Brandes durch die Annahme der ETK nicht abgebildet, da diese Annahme ständig ansteigende Temperaturen vorraussetzt. In extremen Situationen kann dies zur Folge haben, dass die Brandgefährdung unterschätzt wird. In den meisten Fällen führt dies zu einer Unwirtschaftlichkeit, weil die Kosten der Schutzmaßnahmen von Tragwerken oftmals überschätzt werden.

Durch die bauaufsichtliche Einführung der Eurocode-Normen, darunter den Eurocode 1991-1-2, können seit einiger Zeit auch sog. Naturbrandverfahren zum Nachweis der Standsicherheit von Tragwerken im Brandfall eingesetzt werden. Sie basieren auf der Anwendung von Naturbrandszenarien sowie Materialeigenschaften der im betroffenen Objekt gelagerten Werkstoffe und berücksichtigen so die tatsächlich zu erwartenden Brandauswirkungen. Dies führt zu brandschutztechnisch sicheren Gebäuden sowie den möglichen Verzicht auf kostenintensive Brandschutzmaßnahmen von Tragkonstruktionen.

Unsere Heißbemessungsexpertisen führen wir unter Zugrundelegung von Eurocodes und Werkstoffeigenschaften durch. Hier kommen vereinfachte (OZone)- sowie auch fortgeschrittene (SAFIR, Elmer und FDS)-Brandbemessungsmodelle und Modellierungsverfahren zum Verhalten von Tragwerken zum Einsatz. Dadurch lassen sich die für konkrete Bauwerke nach Maß geplanten Tragkonstruktionen erstellen. Darüber hinaus kann das geforderte Sicherheitsniveau unter Einhaltung von Kostenoptimierungsansätzen und Projektierungsflexibilität erzielt werden.

Unsere besonders innovative Hochleistungslösung ist der Einsatz der MultiZone- und McSAFIR-Rechenverfahren für Atrien, Foyers und Mezzaninböden-Systeme.

Bewertung der explosionsgefährdeten Bereiche

Das gängigste Vorgehen zur Bewertung der explosionsgefährdeten Bereiche ist der analytische Ansatz, der in der Normenreihe EN-60079-10 definiert ist. Solch ein Ansatz ist für vereinfachte und iterative Problemstellungen sehr wirkungsvoll und effizient. Bei komplexeren Lokalisationen von Anlagen oder spezifischen Fragestellungen kann sich ein solcher Ansatz als nicht ausreichend erweisen. So kann z.B. das zu erwartende Sicherheitsniveau vernachlässigt werden. Infolge dessen könnten zu knappe explosionsgefährdete Bereiche bzw. Schutzzonen dimensioniert werden. Auf der anderen Seite könnten die Schutzmaßnahmen überschätzt werden, was zum unnötigen Einsatz einer größeren Anzahl von Betriebsanlagen in Ex-Schutzausführung führen könnte. Eine numerische Rechenlösung von Emissions- und Dispersionsvorgängen lässt die explosionsgefährdete Bereiche und Zonen mit explosiven Gemischen exakter bestimmen. Dies ermöglicht u.a. der Einsatz leistungsfähigerer Lüftungsanlagen, was wiederum zu einem effektiveren Schutz vor Gefahren sowie einer Kostenoptimierung führen kann.

Unsere Analysen bzgl. Dispersion und der Bildung explosionsfähiger Atmosphären führen wir anhand OpenFOAM sowie FDS Rechenverfahren durch.

Wahrscheinlichkeitsbezogene Bewertung von Störfällen und ihren Folgen

Unternehmen mit großen Störfall-Risiken sind nach der Seveso-III-Richtlinie verpflichtet systematische Prognoseverfahren zu Auftreten und Folgen unbeherrschter Störfälle durchzuführen. Den Methoden zu anlagenbezogenen Risikoanalysen liegen üblicherweise zwei Ansätze zugrunde. Die qualitativen Wahrscheinlichkeitsberechnungen, die wiederum auf Expertenwissen beruhen sowie Auswertungen möglicher Folgen unvorhergesehener Ereignisse auf Basis der ALOHA-Software. Beide Vorgehensweisen sind aber aus verschiedenen Gründen nicht immer fehlerfrei und richtig.

Unseren Wahrscheinlichkeitsauswertungen zu Auftreten der Störfälle liegen probabilistische und statistische Methoden sowie Monte Carlo-Simulationen zugrunde. Unsere Handlungsweise zur Auswertung von Schäden solcher Fälle basiert auf numerischen CFD-Simulationen. Hier kommen OpenFOAM- und FDS-Software zum Einsatz. Es werden von uns alle physikalischen Folgen (außer Splitterwirkung) ausgewertet, die durch: