View
3.722
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Citation preview
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Möglichkeiten der Simulationim Brandschutzingenieurwesen
Dr.-Ing. Christoph Klinzmannhhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbHGeschäftsbereich Ingenieurmethoden
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Inhalt• Einführung
• Beschreibung der Brandeinwirkung
• Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude
• Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen
• Simulation des Personenverhaltens
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Inhalt• Einführung
• Beschreibung der Brandeinwirkung
• Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude
• Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen
• Simulation des Personenverhaltens
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
hhpberlin steht seit 2000 für Brandschutz aus einer Hand
• mit Standorten in Berlin, München, Hamburg und Frankfurt am Main
• mit einem Team von 90 Mitarbeitern aus Ingenieuren, Architekten und Physikern, öffentlich
bestellte und vereidigte Sachverständige sowie zahlreiche freien Mitarbeitern und
strategischen Partnern
• von Beginn an Einsatz und Weiterentwicklung innovativer Ingenieurmethoden in den
Bereichen Brandsimulation, Brandschutzbemessung und Entfluchtungssimulation
Brandschutz-konzepte
Brandschutz-konzepte
Ingenieur-methoden
Ingenieur-methoden
Bau-begleitung
Bau-begleitung
Brandschutz-dokumente
Brandschutz-dokumente
Brandschutz der nächsten Generation
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Brandschutzbemessung in der Praxis• Brandschutz wird im Baurecht (LBauO, SonderbauVO,…) geregelt
• es werden
- zu erfüllende Schutzziele und
- materielle Anforderungen z. B. an Bauteile oder anlagentechnische Maßnahmen
formuliert „präskriptive Vorschriften“
• Präskriptive Vorschriften
- Sicherheit durch Erfüllung der Anforderungen der Vorschriften
- VORTEIL: Einfache Bemessung (Bemessungstabellen)
- NACHTEIL: Häufig konservativer Nachweis
Schutzzielorientierte Nachweise mit Ingenieurmethoden können wirtschaftlichere Gebäude ermöglichen
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Nachweismöglichkeiten der Schutzziele
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Präskriptive Vorschriften
• z. B. HBauO:
„Tragende und aussteifende Wände und Stützen
müssen in Gebäuden der Gebäudeklasse 5
feuerbeständig sein.“
• z. B. MVStättV:
„Versammlungsstätten mit Versammlungsräumen
von insgesamt mehr als 3 600 m² Grundfläche
müssen eine automatische Feuerlöschanlage
haben.“
Brandschutzmaßnahmen werden
pauschal gefordert, die Erfüllung der
Schutzziele aber nicht nachgewiesen
Erfüllung über Einhaltung von Normen, z. B. DIN 4102-4 03/1994
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
8
Schutzzielorientierter Nachweis
• Schutzzielorientiertes Vorgehen mit Ingenieurmethoden
- zu erfüllende Schutzziele werden quantitativ nachgewiesen
- Wirkung von Schutzmaßnahmen (baulich, anlagentechnisch, abwehrend) kann
berücksichtigt werden wirtschaftlichere Konzepte
• Vorgehen beim Nachweis
- Schutzziele müssen Schutzzielkriterien zugeordnet werden
- repräsentativer Bemessungsbrand muss definiert werden
- Nachweis wird mit Ingenieurmethoden (z. B. Eurocodes)
- Einbindung in ein Brandschutzkonzept erforderlich
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Nachzuweisende Schutzziele
• § 14 BauO Bln „Brandschutz“
„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.“
• Entsprechende Nachweise
- Standsicherheit: Brandschutztechnischer Nachweis der Tragkonstruktion
(Simulation der Temperaturverteilung, Erwärmungsberechnung des Tragwerks,
Mechanische Analyse)
- Personensicherheit: Nachweis raucharmer Schichten, Nachweis der sicheren
Evakuierung (Simulation der Rauchausbreitung)
- Wirksame Löscharbeiten: Nachweis raucharmer Schichten, ggf. in geringeren
Schichthöhen
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Inhalt• Einführung
• Beschreibung der Brandeinwirkung
• Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude
• Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen
• Simulation des Personenverhaltens
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
• Die herkömmliche Brandschutzbemessung basiert auf Feuerwiderstands-
klassen und nominelle Temperaturzeitkurven
- „feuerbeständig“ – F90 (90 Minuten Einheitstemperaturkurve/ETK)
- „hochfeuerhemmend“ – F60 (60 Minuten ETK)
- „feuerhemmend“ – F30 (30 Minuten ETK)
• Nominelle Temperaturzeitkurven
- Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)
- Außenbrandkurve
- Hydrocarbonkurve
Thermische Einwirkungen
0
200
400
600
800
1000
1200
0 30 60 90 120 150 180
Zeit [min]
Te
mp
era
tur
[°C
] Einheitstemperaturzeitkurve
Externe Brandkurve
Hydrokarbonkurve
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Naturbrände
• Reale Schadensfeuer verlaufen signifikant anders als nominelle Kurven
- Gegenüber einem realen Brand birgt eine auf die ETK ausgelegte Konstruktion
erhebliche Reserven
- Nachweise mit Ingenieurmethoden basieren in der Regel auf so genannten
Naturbränden, die sich an realen Brandverläufen und -lasten orientieren
0
200
400
600
800
1000
1200
0 15 30 45 60 75 90
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
]
Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)
natürliche Brände
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Vorteile von Naturbrandmodellen
• Der Brand wird realistischer modelliert, da sich i.d.R. nicht im ganzen Raum
die durch nominellen Temperaturkurven attestierten Temperaturen einstellen
• Gerade in großen Räumen oder bei geringen Brandlasten bzw. vorhandenen
Löschmaßnahmen können Naturbrandmodelle erhebliche Reduktionen der
Anforderungen bewirken
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Beschreibung realistischer Brandeinwirkungen• Der Quellterm, für die Nachweise mit Ingenieurmethoden, der sogenannte
„Bemessungsbrand“ muss die wesentlichen Randbedingungen eines
möglichen Feuers abbilden.
Brandschutz-maßnahmen
Feuer
Brandlast
GeometrieVentilation
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Bemessungsbrand
• Üblicherweise dient die Wärmefreisetzungsrate Q´(t) als Eingangsgröße in die
Modelle zur Brandsimulation
• Je nach nachzuweisendem Schutzziel können auch abwehrende und
anlagentechnische Schutzmaßnahmen im Bemessungsbrand
berücksichtigt werden
Einflüsse auf den Brandverlauf
Q(t)
t
Naturbrand
Bemessungsbrand
`
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zeit
Energ
iefr
eis
etz
ungsra
te
2
0
g
tQ(t) Q
t
max max,v max,fQ MIN Q ; Q
t1 t2 t3
Entwick-lungs-phase Vollbrandphase Abklingphase
70% der Brandlast verbrannt
Wärmefreisetzungsrate
Bemessungsbrand
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Brandbekämpfungsmaßnahmen
Ausbreitung erreicht BrandabschnittsgrenzenFeuerwehr startet Bekämpfung nach ca. 20 Min
Eingreifzeit
Verkürzung der Eingreifzeit durch BMA
Intervention time
frühe Brandkontrolle durch Sprinklereingriff
Aktivierungszeitpunkt
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zukunft: Pyrolysemodelle
• Die thermische Zersetzung und die Verbrennung wird nicht implizit über einen
Bemessungsbrand, sondern direkt simuliert
• Die mathematische Modellierung der physikalischen und chemischen Prozesse
von realen Materialien während der Pyrolyse steht noch am Anfang der Forschung
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Inhalt• Einführung
• Beschreibung der Brandeinwirkung
• Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude
• Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen
• Simulation des Personenverhaltens
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Simulation der Temperaturentwicklung
• 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.
• als zusätzliches Kriterium
zur Bewertung der Personensicherheit
und der Gewährleistung wirksamer Löscharbeiten
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Simulation der Rauchausbreitung
• Zum Nachweis von raucharmen Schichten, zur Gewährleistung der
Personensicherheit und wirksamer Löscharbeiten
- gefordert in Versammlungsräumen größer 1.000 m²
- gefordert in Industriehallen mit Brandabschnittsflächen größer 1.600 m²
- bei Abweichungen vom Regelbau
• in Atrien, in denen Rettungswege über offene Gänge führen
• in großen zusammenhängenden Bereichen
(Bahnhöfen, Flughäfen, Verkaufsstätten)
- Bemessung der Rauchableitung, d. h. ggf.
Reduktion der erforderlichen Rauchabzugs-
fläche (vor allem bei großen Räumen,
z. B. Industriehallen)
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Modellierung der Brandeinwirkung
• Das Phänomen Feuer ist ein hochgradig in stationärer und komplexer Vorgang
• Im Feuer laufen thermische Zersetzungsprozesse ab, Energie und
Verbrennungsprodukte werden freigesetzt
• Der entstehende Brandrauch besitzt infolge seiner Temperatur eine geringere Dichte
als die Umgebungsluft und steigt auf
• Es entsteht ein Unterdruck infolge der
Aufstiegsgeschwindigkeit, es kommt zur
Einmischung von Umgebungsluft und
einer Vergrößerung der Rauchgasmenge
die sich im Raum verteilt
Die korrekte Abbildung aller Phänomene ist
noch Gegenstand aktueller Forschung.
Es existieren unterschiedlich Approximationsmethoden.
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Vereinfachte ModelleVereinfachte Modelle Allgemeine ModelleAllgemeine Modelle
Plume-Modelle, z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY
Plume-Modelle, z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY
Zonen-Modelle, z.B. CFAST, MRFC, FIGARO
Zonen-Modelle, z.B. CFAST, MRFC, FIGARO
CFD-Modelle, z.B. FDS, CFX, COBRA, FLUENT
CFD-Modelle, z.B. FDS, CFX, COBRA, FLUENT
AufwandAufwandgeringgering hochhoch
Brandwirkungen im Gebäude
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
• Wurden in der Regel auf Grundlage von Versuchen zur Beschreibung
lokaler Brandereignisse ermittelt („Plumemodelle“) - z. B. McCaffrey,
Heskestad, Zukoski)
• dürfen nur im Rahmen der Randbedingungen der
Versuche eingesetzt werden• z. B. Verfahren nach Heskestad/Hasemi
- für Räume > 400 m²
- für Wärmefreisetzungsrate < 50 MW
- D <= 10 m
- Brandlastdichte >= 250 kW/m²
Vereinfachte Naturbrandmodelle
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zeit [min]
Te
mp
era
tur
[°C
]
En
erg
iefr
eis
etz
un
gsra
te [
MW
]
T2
t2
T3
t3
T1
t1
Heißgastemperatur-zeitkurve
Wärmefrei-setzungsrate
Korrelation des zeitlichen Verlaufs
Realbrandkurven
• Beschreiben die Temperaturentwicklung im ganzen Raum
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zonenmodelle• Unterscheidung zwischen Heißgasschicht und Kaltgasschicht im Brandraum
• Jeweils homogene Temperatur und Rauchgaskonzentration in Heißgas und Kaltgasschicht
• Mehrraum-Mehrzonenmodell ermöglicht die Kopplung von mehreren Räumen, Raumabschnitten und Rauchabschnitten
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zonenmodelle
geeignet für:
• einfache quaderförmige Geometrie
• stabile Schichtung
(Rauchabschnitt < ca. 3.000 m²
und Höhe < ca. 25 m)
• einfache Strömungsverhältnisse
• Geringer Einfluss von Zulufteffekten
Vor- und Nachteile
• einfache Handhabung, kurze Rechenzeit
• keine Betrachtung lokaler Effekte möglich
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
CFD-Modelle• Computational Fluid Dynamics
• Räumliche Diskretisierung des Brandraumes, Einteilung des
Raumes in Zellen (finite Volumen)
(Zellenanzahl 100.000 bis einige Millionen)
• Numerische Lösung der Erhaltungsgleichungen in jeder Zelle
für:
heißer Gasstrom
kühler Gasstrom
Brandquelle
Zelle
Zelle
mt
e e p ˆ J Qt
p ˆ gt
Masse
Energie
Impuls
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Im Verlauf von Bränden treten vor allem turbulente Strömungen auf
Modellierung der Turbulenz erforderlich
Turbulente Strömung
• dreidimensional, instationär, unregelmäßig
• Wirbel
• Umwandlung von Energie in Wärme
durch viskose Reibung
Erhaltungsgleichungen gelten für laminare und turbulente Strömung
Die Auflösung, d. h. die Darstellung der Wirbel in der Simulation wird durch
die gewählte Zellgröße begrenzt.
Je feiner desto genauer, aber signifikant höherer Rechenzeitbedarf
CFD-Modelle
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
CFD-Modelle
Vor allem geeignet für
- komplexe Geometrien
- sowohl Vollbrand als auch
lokale Brände und Effekte
- komplexe Strömungsrand-
bedingungen
Vor- und Nachteile
- Betrachtung lokaler und globaler Effekte möglich
- schwierigere Handhabung (Modellierung), lange Rechenzeiten bei
erhöhter Genauigkeit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zusammenfassung Eignung der Verfahren
• Plumemodelle können gut für Überschlagsberechnungen in großen und
hohen Gebäuden eingesetzt werden (z. B. Industriehallen)
• Realbrandkurven und Zonenmodelle bieten gute Lösungen für sehr einfache
Geometrien
• CFD ist praktisch für alle Fälle geeignet, aber ständig wachsende
Anforderungen
- sehr komplexe und große Gebäude
- Immer feinere Diskretisierung
- Immer komplexere Fragestellungen (Entrauchung, Wind, Sommerfall)
CFD ist der Stand der Technik
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Geometriemodellierung von CFD-Modellen
• Die Geometrie des Gebäudes muss in der Zellauflösung diskretisiert werden,
üblich sind derzeit 0,25 m
• Schwierig sind daher Schrägen, Bögen, …
• Durchschnittliche Gebäude können bereits 4,000,000 Zellen benötigen
• Verwendung von Präprozessoren mit erweiterten Möglichkeiten
- CAD-Import
- Einfache geometrische Manipulationen
(kopieren, bewegen, drehen, spiegeln, …)
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Parallelisierung
• Pro Prozessor (4 GB Speicher, 3 Ghz) können lediglich ca. 2,000,000 Zellen
in vertretbarer Zeit gelöst werden
Parallelisierung erforderlich
• Computersysteme mit großer Anzahl von Prozessoren und großer
Hauptspeichermenge
• Cluster bei hhpberlin: 72 Prozessoren, über 250 GB Hauptspeicher
• Benutzt über Batch-Queing Systems (Microsoft HPC)
• hhpberlin investiert in die Weiterentwicklung des Fire Dynamics Simulator
zur Verbesserung der Qualität der Parallelisierung
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Beispiel: Versammlungsstätte
• Gebäude mit komplexer Geometrie
- u. a. Ränge in zwei Richtungen geneigt, komplexe Zuluftführung
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Beispiel: Flugzeughangar
• Gebäude mit großen Abmessungen (120 m x 80 m x 30 m)
• komplexes Dachtragwerk
• ca. 24.000.000 Rechenzellen, mehrere Wochen Rechenzeit (16 CPUs)
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Auswertung der Schutzzielkriterien
• Graphisch anhand von Animationen, Konturplots, Zeitverlaufskurven
Simulation der Rauchausbreitung
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Momentane Anwendungsgrenzen
• Komplexe Strömungen, z. B. Wind auf die Fassade
(Rechenzeit, bemessungsrelevanter Fall)
• Realistischere Modellierung von Bränden über Pyrolysemodelle
• Geometrische Besonderheiten wie Durchströmung von Spalten, Membranen
u.Ä.
• Berücksichtigung anlagentechnischer Brandschutz-
maßnahmen und haustechnischer Anlagen, z. B.
- Komplexe Lüftungs- und Entrauchungsanlagen
(z. B. Drallentrauchung, Entrauchung über Wirbel
- Sprinkleranlagen, Hochdruckwassernebel
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Inhalt• Einführung
• Beschreibung der Brandeinwirkung
• Simulation der Rauchausbreitung im Gebäude
• Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen
• Simulation des Personenverhaltens
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Brandschutztechnische Bemessung
• Zukünftig wird der Eurocode (DIN EN 1991-1-2) für die Bemessung von Bauteilen auch
Naturbrände zulassen
- dann Anwendbarkeit der brandschutztechnischen Bemessung von Bauteilen gesetzlich geregelt
- derzeit: nur mit Zustimmung der Bauaufsichtsbehörde
• Aber: Viele europäische Länder haben aufgrund von Mängeln im Sicherheits-konzept nach
DIN EN 1991-1-2 Anhang E die Einführung abgelehnt
- Entwicklung eines neuen Sicherheitskonzepts am iBMB der TU Braunschweig
- Berücksichtigung anlagentechnischer Maßnahmen möglich
- Implementierung des Sicherheitskonzeptes in NA Anhang BB
wird von hhpberlin bereits jetzt für Nachweise angewendet
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Nachweiskonzept der Eurocodes (EC-x-1-2)
Nachweisverfahren in 3 Stufen:
•Stufe 1: Tabellarische Daten - Einzelbauteile
- Mindestabmessungen usw. analog DIN 4102 Teil 4 präskriptiv
• Stufe 2: Vereinfachte Rechenverfahren Einzelbauteile- ingenieurmäßige Nachweise für die Praxis
•Stufe 3: Allgemeine Rechenverfahren - Teiltragwerke, Gesamttragwerk
- „exakte“ rechnerische Brandsimulation für beliebige Temperaturbeanspruchung
Ingenieur-methoden(Simulation)
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Thermische Analyse• Ermittlung des Wärmestroms auf die Bauteile infolge der
Temperaturbeanspruchung (Feldmodelle)• Berechnung der Temperaturverteilung im Querschnitt (FEM)
Mechanische Analyse (FEM)• Gleichgewichtszustand im Querschnitt• thermische Dehnung• Eigenspannungen• Gleichgewichtszustand für das Tragsystem• Zwangspannungen• geometrische Imperfektionen (Theorie II. Ordnung)
T1T2
T3
Stufe 3 – Allgemeines Rechenverfahren
Eurocodes
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
thermisch mechanisch
Temperaturabhängige Materialeigenschaften Beton
Eurocodes
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
'''
p x y z
T T T Tc ( ) ( ) ( ) q
t x x y y z zWärmeleitung
Thermische Analyse
Eurocodes
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
-0.004 0 0.004 0.008Dehnung [-]
Temperatur
0 200 400 600Temperatur [°C]
th
th
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02Dehnung [-]
be
z. S
pa
nn
un
g s(T
) / fy
k
20°C400°C
600°C
800°C
Mechanische Analyse
Eurocodes
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Mechanische Analyse
Eurocodes
3030
3030
30
0‘
15‘
30‘
45‘
60‘
3030
3030
303030
30303030
30303030
0‘
15‘
30‘
45‘
60‘
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Inhalt• Einführung
• Beschreibung der Brandeinwirkung
• Simulation der Temperatur und der Rauchausbreitung im Gebäude
• Simulation der Brandwirkungen in Bauteilen
• Simulation des Personenverhaltens
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Anwendungsgebiete Entfluchtungsberechnung
• Bahnhöfe, Arenen, Flughäfen etc. (große Personenzahlen)
• Verkaufsstätten
• Krankenhäuser
• Umnutzung, Bestand und sonstige Gebäude mit Abweichungen von
baurechtlichen Vorgaben
z. B. wenn 0,6 m Ausgangsbreite je 100 Personen nicht erfüllt
Nachweis in Verbindung mit Entrauchungssimulation (Rettungswege über
potentiell verrauchte Bereiche, z. B. Atrien)
• (Großveranstaltungen)
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Ziele von Entfluchtungsberechnungen
• Optimierung des Gebäudedesigns
- Erkennen und Vermeiden kritischer Situationen, z. B. von Staus und Engstellen
- Optimierung der Flächenausnutzung, d. h. Rettungsweganzahl,
-breite und Mietfläche, z. B. in Verkaufsstätten oft eine
Einsparung von bis zu 30 % Rettungswegbreite
möglich
• Aussagen über Räumzeiten
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
„Vereinfachte“ Verfahren„Vereinfachte“ Verfahren „Exakte“ Verfahren„Exakte“ Verfahren
Handformeln, z.B. nach SPFE Handbook, vfdB Leitfaden
Handformeln, z.B. nach SPFE Handbook, vfdB Leitfaden
Individualmodelle hier BUILDING EXODUS, fds+evac
Individualmodelle hier BUILDING EXODUS, fds+evac
AufwandAufwandgeringgering hochhoch
•Zeit für das Durchströmen der Ausgänge
•Zeit für das Zurücklegen des Weges
•Zeit für das Durchströmen der Ausgänge
•Zeit für das Zurücklegen des Weges
Methoden
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Individualmodelle
Grundannahme:
• Individuelle Bewegung von Einzelpersonen
• Personendichte ist keine Eingangsgröße, sondern Teil der Berechnung
• persönliche Parameter und Entscheidungen können berücksichtigt werden
Modelltypen:
• räumlich diskret
• Kontinuierlich
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Vorgehensweise
• Festlegung ausreichend konservativer Szenarien
- Personenbelegung
- Personenverteilung
- Wahl des Fluchtweges
- ggf. Ausfall von Fluchtwegen
• Festlegung ausreichend
konservativer Berechnungsparameter
- Gehgeschwindigkeiten
- ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge
- Pre-movement time + Reaktionszeit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Vorgehensweise
• Festlegung ausreichend konservativer Szenarien
- Personenbelegung
- Personenverteilung
- Wahl des Fluchtweges
- ggf. Ausfall von Fluchtwegen
• Festlegung ausreichend konservativer
Berechnungsparameter
- Gehgeschwindigkeiten
- ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge
- Pre-movement time + Reaktionszeit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Vorgehensweise
• Festlegung ausreichend konservativer Szenarien
- Personenbelegung
- Personenverteilung
- Wahl des Fluchtweges
- ggf. Ausfall von Fluchtwegen
• Festlegung ausreichend konservativer
Berechnungsparameter
- Gehgeschwindigkeiten
- ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge
- Pre-movement time + Reaktionszeit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Anwendungsgrundsätze
• Festlegung ausreichend konservativer
Szenarien
- Personenbelegung
- Personenverteilung
- Wahl des Fluchtweges
- ggf. Ausfall von Fluchtwegen
• ausreichend konservative Berechnungsparameter
- Gehgeschwindigkeiten
- ggf. zusätzliche Sicherheitszuschläge
- Pre-movement time + Reaktionszeit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
• Die für die Evakuierung erforderliche Zeit + Zuschlag muss kleiner sein als
die verfügbare Zeit, z. B.
Zeitdauer einer raucharmen Schicht
Feuerwiderstandsdauer der Bauteile
• Die Evakuierungszeit setzt sich zusammen aus:
Zeitdauer bis zur Detektion des Brandes tDetektion
Alarmierungszeit tAlarm
Reaktionszeit der Personen tReaktion
Laufzeit tFlucht
tRäumung + X tverfügbar
tRäumung = tDetektion + tAlarm + tReaktion + tFlucht tRäumung = tDetektion + tAlarm + tReaktion + tFlucht
Nachweise mit Entfluchtungsberechnungen
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zusammenfassung und Fazit
• Leistungsorientierte Brandschutzbemessung zurzeit noch Ausnahmefall
• Eurocodes ermöglichen leistungsorientierte Brandschutzbemessung mit
Naturbrandverfahren
• Oft schwierig maßgeblichen Temperaturzeitverlauf zu bestimmen
• Objektspezifisches Brandschutzkonzept erforderlich
• Heißbemessungen werden immer häufiger verlangt
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
• Festlegung des maßgeblichen Brandszenarios bzw. Bemessungsbrandes (Naturbrandverfahren)
• Simulation von Brandeinwirkung (Naturbrand)• Brandschutzbemessung durch Vereinf. bzw.
allgem. Berechnungsverfahren der Eurocodes
Zusammenfassung und Fazit
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
] ..
T= (T1-T0)/taּ 1²t ²+ T0
für t1 > =t
T = (T2-T1)((t-t1)/(t2-t1))1/2+T1
für t1 < t <= t2
T = (T3-T2)((t-t2)/(t3-t2))1/2+T2
für t > t2
Bereich 1 Bereich 2 Bereich 3
(t1;T1)(t3;T3)
(t2;T2)
(t0;T0)
Vorgehensweise bei Naturbrandverfahren
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
• Erwärmungsberechnung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren- Allgemeines Berechnungsverfahren
• Heißbemessung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren (Temperaturebene, Tragfähigkeitsebene)- Allgemeines Berechnungsverfahren
• VereinfachtesBerechnungsverfahren: - Einzelbauteile
- Ungezwängte Bauteile
• Allgemeines Berechnungsverfahren: - Gezwängte Bauteile
- Gesamttragsysteme
Brandschutzbemessung
Zusammenfassung und Fazit
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Zusammenfassung und Fazit
• Leistungsorient. Bemessung ist aufwändige Vorgehensweise
- Berechnung Erwärmung- Simulation Tragverhalten- Abstimmung mit Genehmigungsbehörden=> Anwendung zurzeit nur in Einzelfällen
• Wann rentiert sich leistungsorientierte Bemessung (Heißbemessung)?
- Stahlkonstruktionen- Bestehende Stahlbetonkonstruktionen- Bemessung nach DIN 4102 nicht möglich oder Feuerwiderstandsdauer zu gering
• Optimierte Tragkonstruktion
- Geringe Dimensionierung der Querschnitte- Verringerung von Bekleidungsmaßnahmen- Wirtschaftliche Konstruktion
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Team Ingenieurmethoden bei hhpberlin
email@hhpberlin.de
www.hhpberlin.com
Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 19
10245 Berlin
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann
Kontaktinformationenhhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
Rotherstraße 1910245 Berlin
Fraunhoferstraße 680469 München
Kurze Mühren 2020095 Hamburg
Wilhelm-Leuschner-Straße 4160329 Frankfurt am Main
Phone: +49 (30) 89 59 55-0 email@hhpberlin.deFax: +49 (30) 89 59 55-100 www.hhpberlin.de
Geschäftsführer:Dipl.-Ing. Margot EhrlicherDipl.-Inf. BW (VWA) Stefan TruthänDipl.-Ing. Karsten Foth
Prokurist:Dipl.-Ing. Harald Niemöller
Beirat:Prof. Dr.-Ing. Dietmar HosserDr.-Ing. Karl-Heinz Schubert
AmtsgerichtBerlin CharlottenburgHRB 78 927
Deutsche Bank P+G AGBLZ 100 700 24Konto-Nr. 1419100IBAN-Nr. DE52100700240141910000Swift-Code: DEUTDEDBBERUst-IdNr. DE217656065
Recommended