Brandsimulation

– ein ergänzendes Instrument der Brandursachenermittlung

Brandsimulationsrechnungen beschreiben die thermodynamischen Prozesse während einer Verbrennung. Sie sind, in einem Satz erklärt, numerische Experimente in einem virtuellen Labor. Im vorbeugenden Brandschutz ist die computergestützte Simulation von Bränden bereits ein etabliertes Werkzeug. Bisher wurden sie jedoch im deutschsprachigen Raum kaum eingesetzt, um nach einem Brandfall den Schadenverlauf zu rekonstruieren und den Einfluss verschiedener Parameter zu prüfen. Ein Expertenteam des IFS hat die Methode weiterentwickelt und für diesen Anwendungsbereich adaptiert.

Bei den Simulationen handelt es sich um CFD-Modelle. Die Abkürzung steht für Computational Fluid Dynamics, also numerische Strömungsdynamik.

Zum Verständnis: An einem Brandherd steigt die Temperatur. Die heißen Rauchgase dehnen sich aus, zugleich nimmt die Dichte ab, und das Gas steigt auf. CFD-Modelle beschreiben die entstehenden Strömungen und damit die Bedingungen während des Brandes, die Ausbreitung der Rauchgase und der Flammen. Die Prozesse folgen physikalischen Gesetzmäßigkeiten und sind von unterschiedlichen Parametern abhängig wie der Gebäudegeometrie, der Brandlast und Zu- bzw. Abluftöffnungen.

Mit den Simulationen können verschiedene Szenarien durchgerechnet werden, um etwa die Plausibilität von Schadenverläufen zu prüfen oder den Einfluss von Brandschutzmaßnahmen zu bewerten. Die folgen Beispiele verdeutlichen die Anwendungsmöglichkeiten:

 

Beispiel I: Mangelhafte Wartung des RWA (Rauch- und Wärmeabzug) einer Produktionshalle

Der Brand eines Flurförderfahrzeuges in einem industriellen Produktionsbetrieb breitet sich trotz schnell eingeleiteter Löschmaßnahmen über die gesamte Halle aus und führt zu intensiven Schäden in allen Hallenbereichen. Bei der Brandursachenermittlung zeigt sich unter anderem, dass der Rauch- und Wärmeabzug des Gebäudes am Schadentag versagt hatte, weil die Wartung der Anlage vom Betreiber vernachlässigt wurde.

Die Bedingungen in der Halle während des Brandverlaufs werden durch eine Brandsimulationsrechnung nachgestellt. Wir betrachten die Temperaturverteilung in der Halle.

Welchen Einfluss hätte ein funktionstüchtiger Rauch- und Wärmeabzug auf den Schadenverlauf und das Ausmaß gehabt?

Bild oben: Der RWA der Halle versagt. Dadurch kommt es zu einer großflächigen, starken Temperaturbelastung. Im bodennahen Bereich behindern sie einen effektiven Feuerwehreinsatz.

Bild unten: Bei funktionstüchtigem RWA wäre die Temperaturbelastung während des Brandes deutlich reduziert. Bis zur Höhe von zwei Metern bleibe die Temperatur auf einem Niveau, das der Feuerwehr einen Löscheinsatz ermöglicht. Das Schadenaufmaß wäre erheblich geringer.

 

Beispiel II: Fehlerhaft ausgeführte Trennwand zwischen Produktions- und Lagerbereich

Durch die Leckage an einem Behälter mit brennbarer Flüssigkeit kommt es in der Produktionshalle eines Chemiebetriebes zum Brandausbruch. Innerhalb kürzester Zeit greift das Feuer auf den gesamten Produktionsbereich über. Später wird das gesamte Schadenausmaß deutlich: Nicht nur die Produktionshalle als direkter Brandbereich ist betroffen, sondern auch das angrenzende Lager. Dort sind intensive Rauchgasschäden entstanden. Im Zuge der Brandursachenermittlung werden Konstruktionsfehler an der Trennwand zwischen der Produktionshalle und dem Lager deutlich.

Mit einer Brandsimulation wird die Rauchausbreitung im Gebäude während des Brandverlaufs berechnet.

 

Wie hätte sich eine mangelfreie Trennwand zwischen den Gebäudeabschnitten auf den Schadenverlauf ausgewirkt?

Bild oben: Die mangelhafte Trennwand ermöglicht eine Ausbreitung der Rauchgase aus dem Brandbereich in der Produktion ins Lager.

Bild unten: Die mangelfreie Trennwand zwischen Produktion und Lager verhindert die Ausbreitung der Rauchgase. Der Lagerbereich bleibt schadenfrei.

 

Beispiel III: Mehr Lagergut als laut Brandschutzkonzept zulässig

Der Brand in einem Produktionsgebäude der Futtermittelindustrie führt trotz der Auslösung der brandschutztechnischen Einrichtungen zum vollständigen wirtschaftlichen Verlust des Gebäudes. Die Recherchen im Rahmen der Brandursachenermittlungen ergeben, dass sich zum Schadenszeitpunkt etwa doppelt so viel Brandlast im Gebäude befunden hat wie laut dem Brandschutzkonzept zulässig gewesen wäre.

Durch Brandsimulationen werden die mit der höheren Brandlastendichte einhergehende gesteigerte Energiefreisetzung und Wärmebelastungen der Gebäude- und Inventaroberflächen berechnet. Die daraus resultierende energetische Belastung wird in kW/m2 angegeben.

Wäre es auch bei Einhaltung der laut Brandschutzkonzept zulässigen Lagermenge zum Totalverlust der Gebäudes gekommen?

Bild links: Die höhere Brandlast durch das Überschreiten der zuläsigen Lagermenge hat im Brandverlauf eine deutlich erhöhte Energiefreisetzung und damit Wärmebelastung der Gebäude- und Inventarflächen zur Folge. Im roten Bereich ist die Strahlung so stark, dass sich Farbanstriche von Anlagenteilen entzünden können.

Bild rechts: Die Einhaltung der maximal zulässigen Lagermenge hätte die Brandlast und damit die Wärmebelastung während des Brandverlaufs erheblich reduziert. Die Gebäudestruktur hätte diesem Schadenverlauf standgehalten.

 

Beispiel IV: Gefahrenbeurteilung nach einer Brandstiftung

Die nächtliche Brandstiftung im Keller eines Mehrfamilienhauses wird von den Bewohnern in einer frühen Brandphase bemerkt. Darum gelingt den meisten die Flucht durch den verrauchten Treppenraum. Einige verletzen sich jedoch und müssen mit Verdacht auf Rauchgasvergiftung behandelt werden. Drei Bewohner, darunter zwei Kinder, können erst durch die Feuerwehr in Sicherheit gebracht werden.

Nach der Festnahme des Täters soll eine Gefährdungsbeurteilung helfen, die in einem Strafprozess zu klärende Schwere der Schuld besser einzuschätzen.
Mittels Brandsimulationsrechnungen wird die Verteilung der Rauchgase im Laufe des Brandgesehens betrachtet.

Wie viel Zeit hatten die Bewohner, sich aus dem brennenden Gebäude zu retten?

Die Bilderserie zeigt die Entwicklung der Kohlenstoffmonoxidkonzentration im Treppenraum. Innerhalb von nur acht Minuten ist der gesamte Fluchtweg mit lebensgefährlichen Konzentrationen des giftigen Gases gefüllt.