CFD-Simulation: Individuelle Brandschutzkonzepte nachweisen
Gebäude besonderer Art und Nutzung erfordern besondere Brandschutzlösungen. Simulationen können individuelle, vom Standard abweichende Brandschutzkonzepte optimieren und nachweisen.
Gestalterische Wünsche oder funktionale Anforderungen von Architekten und Bauherren stehen häufig im Widerspruch zu standardisierten Anforderungen des vorbeugenden Brandschutzes. Planer dürfen davon abweichen, wenn sie in geeigneter Form nachweisen, dass die vom Gesetzgeber geforderten Ziele auch mit individuellen Lösungen realisierbar sind. Geeignet sind insbesondere ingenieurmäßige Methoden wie die rechnergestützte Brandsimulation. Auf der Basis validierter mathematisch-physikalischer Modelle lassen sich Brandschutznachweise erbringen, die gegebenenfalls ein Abweichen von vorgeschriebenen Brandschutzmaßnahmen zulassen. Darüber hinaus können damit gestalterisch, funktional und brandschutztechnisch optimierte, teilweise auch kostenoptimierte Lösungen realisiert werden.
Einsatzbereiche und Möglichkeiten
Einsetzbar sind Brandsimulationen in der Bauentwurfsplanung, der Brandursachenforschung und Brandfolgenermittlung sowie bei der Untersuchung von Brandphänomenen. In der Entwurfsplanung helfen Simulationsrechnungen, besondere brandschutztechnische Konzepte, Gutachten oder Stellungnahmen mit mathematisch-physikalischen Methoden zu untermauern und damit zu einer schnelleren Akzeptanz seitens der Genehmigungsbehörden beizutragen. Umgekehrt fordern auch Bauaufsichtsbehörden immer häufiger den Einsatz von Simulationsrechnungen zur Absicherung vorgelegter Konzepte. Da dreidimensionale Daten aller relevanten Größen wie Rauchkonzentration, Temperatur und Geschwindigkeit oder die jeweils vorhandene Sichtweite zu jedem Zeitpunkt des Brandes berechnet werden können, lassen sich für jeden Punkt innerhalb eines Objektes zuverlässige Aussagen treffen und die nötigen Schlussfolgerungen ziehen. Daraus ableitbare Lösungsvorschläge sind herkömmlichen Konzepten in Bezug auf die Sicherheit, den Investitions- und Betriebskosten überlegen. Da neben sicherheitstechnischen auch wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtigt werden, lässt sich ein gefordertes Sicherheitsniveau meist kostengünstiger erzielen, als es mit konventionellen Methoden möglich wäre. Hinzu kommt, dass rechnergestützte Nachweisverfahren preiswerter sind als reale (Modell-)Versuche. Diese zeichnen sich zwar durch eine hohe Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Brandverhalten aus, sind aber aus Sicherheits-, Umweltschutz- und Kostengründen problematisch. Teilweise werden für Rauchversuche auch maßstäblich verkleinerte Gebäudemodelle eingesetzt. Aufgrund der Maßstabsverkleinerung treten jedoch bei den Parametern und Randbedingungen Skalierungsprobleme auf: Faktoren wie Gebäudegeometrie, verwendete Bauteile, eingebaute Klimaanlagen, thermodynamische Vorgänge etc. lassen sich – bedingt durch den kleinen Maßstab – nicht nachbilden oder sind auf die Realität nicht direkt übertragbar. Auch die Messung relevanter Parameter ist, wie auch bei den Brandversuchen am realen Gebäude, äußerst schwierig. Deshalb ist in den letzten zehn Jahren ein deutlicher Trend vom realen zum digitalen Modell zu beobachten.
Ziele numerischer Brandsimulationen
Brandschutzmaßnahmen dienen insbesondere dazu, den Nutzern eines Gebäudes genügend Zeit zu geben, sich im Brandfall in Sicherheit zu bringen. Was nach einer einfachen Aufgabenstellung aussieht, erweist sich bei näherer Betrachtung als ein Problem mit komplexen Zusammenhängen. So kann es durch Wechselwirkungen zwischen der Architektur (Gebäudegeometrie, offenes Raumkonzept, Gestaltungselemente etc.), den raumlufttechnischen Anlagen und vorhandenen Luftströmungen zu einem unvorhersehbaren Verlauf der Rauchausbreitung kommen. Luftverwirbelungen können bewirken, dass sich Rauch mit sauberer Luft mischt, was zur Folge hat, dass ein größeres Raumvolumen abgeführt werden muss als vorausberechnet, um Fluchtwege rauchfrei zu halten. Neben dem Nachweis von Fluchtwegen und Fluchtzeiten – und damit zusammenhängend die Berechnung der Brandrauch-Dichte und deren Auswirkung auf die Sichtweite – gehören zu den weiteren Zielstellungen: Aussagen über Auslösezeiten bei Sprinkleranlagen oder Rauch- und Wärmeabzugsanlagen und deren Einfluss auf den Brandverlauf, die Konzentration von Verbrennungsprodukten wie Ruß oder Rauchgase (Kohlenmonoxid/-dioxid, Schwefeldioxid etc.), die Reduktion des Sauerstoffgehalts in der Raumatmosphäre, ferner die Wärmestrahlung von Flammen und Rauchgasen oder die Bestimmung von Bauteiltemperaturen zur Einschätzung der Standsicherheit von Tragwerkskonstruktionen. Damit lassen sich Brandsimulationsprogramme auch in der Brandursachenforschung und Brandfolgenermittlung für die Rekonstruktion des Schadensablaufes einsetzen.
Einsatzmöglichkeiten
Die Einsatzmöglichkeiten von Brandsimulationsprogrammen reichen von einfachen Volumenbränden über Flächenbrände bis hin zu komplexen Brandszenarien mit plötzlich sich ändernden Randbedingungen, wenn etwa eine großflächige Glasfassade durch die Hitzeeinwirkung platzt. Da sich auch Bauteiltemperaturen für jeden Punkt einer Konstruktion präzise berechnen lassen, kann man insbesondere bei Stahlbauten ermitteln, welche tragenden Bauteile im Brandfall einer besonderen Beanspruchung unterliegen und daher einen zusätzlichen Brand- oder Sprinklerschutz benötigen. Da Brandphänomene und die dabei auftretenden Parameter auch im Detail untersucht werden können, lassen sich die gewonnenen Erkenntnisse auch bei der Formulierung von Normen und technischen Vorschriften nutzen. Auch im Tunnelbau wird die digitale Brandsimulation zunehmend eingesetzt. Die rechnergestützte Simulation ermöglicht bei der Planung und bei bestehenden Tunnelbauten genaue Vorhersagen über die Wirksamkeit dieser Konzepte. Auch für die Ermittlung von Behaglichkeits- und Komfortfaktoren wie die Temperatur und Luftströmung von Klimaanlagen eignen sich Simulationsmodelle. Wie stark sich beispielsweise ein Lichthof bei einer bestimmten Besuchermenge erwärmt und welche Luftströmungen dabei entstehen, lässt sich damit zuverlässig ermitteln. Mit speziellen Programmen zur Simulation zielgerichteter Personenbewegungen in räumlich komplexer Umgebung (z. B. ASERI, FDS+Evac etc.) lässt sich darüber hinaus die Wirksamkeit von Evakuierungskonzepten in Hotelhochhäusern, Flughäfen, Bahnhöfen, Einkaufszentren oder U-Bahnanlagen überprüfen.
Zonen-, Feld- oder CFD-Modell?
Digitale Brandmodelle werden nach der Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen, physikalischen und numerischen Verfahren und nach dem Umfang der verarbeiteten Datenmenge (Diskretisierungstiefe) unterschieden. Je nachdem, welche Randbedingungen vorherrschen bzw. welches Schutzziel angestrebt wird, kommen Zonen-, Feld- oder CFD-Modelle zum Einsatz. Bei Zonenmodellen wird der Brandraum in Zonen unterteilt und für jeden Zeitschritt die Energieerhaltungs- und Kontinuitätsgleichung gelöst. Während man beim einschichtigen Zonenmodell von einem homogenen Temperaturfeld im Brandraum ausgeht, wird beim zweischichtigen Zonenmodell das Gasvolumen in eine obere heiße Gas- und eine untere kühlere Luftschicht unterteilt. Komplexe Prozesse werden empirisch, d. h. durch aus Versuchsergebnissen abgeleitete Beziehungen beschrieben, was jedoch zu Fehlern führen kann. Zonenmodelle, mit denen sich schnell und mit relativ wenig Aufwand zahlreiche Parameter 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.
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.
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
Text: Marian Behaneck
