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106 architektur FACHMAGAZIN edv berechnen lassen, eignen sich für die Beantwortung einfacher Brandschutzfragen. Feldmodelle beruhen, wie auch CFD-Modelle, auf physikalischen Prinzipien der Energie, Massen-, und Impulserhaltung. Auf der Basis eines dreidimensional „nachgebauten“ digitalen 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 Raumpunkt. Da einzelne Zellen von ihren Nachbarzellen beeinflusst werden, ist der Rechenaufwand groß. Mit der Leistungsfähigkeit von Rechnern stieg die Einsatzhäufigkeit von Feldmodellen, die leistungsfähiger und allgemeiner anwendbar sind als Zonenmodelle und z. B. auch Turbulenzen innerhalb komplexer Gebäudegeometrien nachbilden können. Computational Fluid Dynamics-, abgekürzt CFD-Modelle, 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 wirtschaftlich vertretbarer Zeit beschreiben. CFD-Modelle sind deshalb besonders geeignet für Gebäude mit komplexer Struktur, vom Standard abweichenden Randbedingungen, für Voll- und Lokalbrände oder für spezielle Brandeffekte. Nachteilig ist allerdings die extrem lange Rechenzeit von mehreren Stunden, Tagen oder gar Wochen. 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 sogenannten Präprozessor erstellt werden. Das so entstandene Volumen wird anschließend in eine endliche Anzahl kleiner Zellen (so genannte „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 20.000 bis einige 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 sogenannten 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 setzt trotz zunehmender Rechenleistung noch immer die Komplexität der Modelle und Rahmenbedingungen. Extrem feine Rechengitter führen zwar zu besseren Ergebnissen, steigern den Rechenaufwand jedoch beträchtlich, sodass sehr komplexe 3D-Probleme in manchen Fällen selbst auf Großrechnern mehrere Wochen dauern können und damit an wirtschaftliche Grenzen stoßen. Auch für die Vorhersage der Rauch- und Schadstoffausbreitung im Außenbereich ist die numerische Strömungssimulation einsetzbar. © Coolplug B.V. Weitere Infos* www.feuertrutz.de Bauvorschriften und Brandschutzinfos www.fire-simulation.at Grundlagen, Feldmodelle, Links www.inuri.de Interessengruppe Num. Risikoanalyse www.vib-mrfc.de Ingenieurmethoden im Brandschutz e.V. Programme und Anbieter* ANSYS Fluent, CFX www.ansys.com ASERI, KOBRA 3D, FIREX www.ist-net.de Autodesk Simulation CFD www.autodesk.at CFdesign www.upfronteng.com FDS, SMV, FDS+Evac www.fire.nist.gov/fds MRFC www.vib-brandschutz.de PHOENICS www.coolplug.com PyroSim, Pathfinder www.simtego.de SolidWorks Flow Simulation www.solidworks.at STAR-CD, STAR-Works www.cd-adapco.com * Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit Die Qualität der Simulationsergebnisse hängt von vielen Faktoren ab: von der Aufteilung des Raumes in Zellen, der Definition von Randbedingungen etc. © IST CFD-Einsatz setzt Fachwissen voraus 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 zu falschen Ergebnissen führen, was auf den ersten Blick nicht zu erkennen ist. Mögliche Fehlerquellen sind nicht nur „technischer“ Natur. Weitaus stärker wiegt, wenn beispielsweise bestimmte Brandszenarien vergessen oder vernachlässigt werden. Wichtig ist eine frühzeitige, enge Zusammenarbeit von Architekten, Fachingenieuren, Brandschutzfachleuten und der Feuerwehr sowie eine Plausibilitätsprüfung der Berechnungsergebnisse.


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