Ingenieure für Brandschutz
Witterungseinflüsse auf natürliche
Rauchabzugsanlagen
M.Sc. Lars Kosinski
hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
Fassung September 2009
Witterungseinflüsse auf natürliche Rauchabzugsanlagen
WITTERUNGSEINFLÜSSE AUF NATÜRLICHE
RAUCHABZUGSANLAGEN
Bei der Konzipierung des Brandschutzes für Gebäude besonderer Art und
Nutzung stellt die Berücksichtigung des Rauch- und Wärmeabzugs in Deutschland seit 30 Jahren einen wichtigen Aspekt dar. Wichtigstes Ziel dabei ist die
Umsetzung der Anforderung der Musterbauordnung (MBO):
„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.“
Für den Nachweis der Rauchableitung stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Eine Möglichkeit ist die Dimensionierung nach DIN 18232 „Rauch- und
Wärmefreihaltung“. Die DIN 18232 lässt mehrere Varianten der Rauchableitung
zu. Am häufigsten kommt die natürliche Rauchableitung zum Einsatz. Ermöglicht
wird diese über zwei verschiedene Wege: Rauchableitung über Dachöffnungen
und über Seitenwände.
Das Dimensionierungsverfahren der DIN 18232-2 geht von festen Randbedingungen aus. Für die Rauch- und Wärmeableitung bedeutet dieser Sachverhalt,
dass keine Wind- und Temperatureinflüsse berücksichtigt werden. Dies entspricht
jedoch nicht den durchschnittlichen Wetterbedingungen in Deutschland. Wichtige Auswirkungen auf die Ausbildung einer raucharmen Schicht werden somit
nicht betrachtet.
Aufgrund dieses viel diskutierten Themas im Brandschutz wurden die Auswirkungen von Witterungseinflüssen auf natürliche Rauchabzugsanlagen untersucht. Dies geschah im Zuge einer wissenschaftlichen Analyse und in Zusammenarbeit mit hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH.
Dabei wurden schwerpunktmäßig die Auswirkungen kritischer Witterungseinflüsse
betrachtet. Untersucht wurden neben einer erhöhten Umgebungstemperatur
von 35 °C die konstanten Windgeschwindigkeiten 4 m/s und 8 m/s.
Die Untersuchungen der Witterungseinflüsse auf natürliche Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (RWA) erfolgten mit dem CFD-Programm „Fire Dynamics Simulator 5“ (FDS 5). Im Anschluss wurden die Ergebnisse mit vereinfachten Berechnungsverfahren verglichen und bewertet.
Fassung 21. September 2009
Anhand einer vereinfachten Gebäudegeometrie mit horizontalen und vertikalen Rauchableitungsflächen wurden die Witterungseinflüsse untersucht. Das
betrachtete Gebäude bestand aus einer erdgeschossigen Halle mit einer Raumhöhe von sechs Metern und einer Seitenlänge von jeweils 35 Metern. Die Dimensionierung der Rauchabzugsanlage erfolgte nach Bemessungsgruppe 3 der DIN
18232-2 (siehe Bild 1). Als Brandszenario diente der Bemessungsbrand (BMG 3)
für die Festlegung der erforderlichen Öffnungsfläche gemäß Tabelle A.1 der DIN
18232-2.
Bild 1
Simulationshalle
Aufgrund der Tatsache, dass die zu untersuchende Zielgröße die Funktion des
natürlichen Rauchabzuges war, wurden die Werte angepasst. Hierzu wurde gemäß dem Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes [1] die Rauchproduktionsrate als Größe eingeführt. Die Rauchproduktionsrate steht in Abhängigkeit
zu den verwendeten Brandstoffen. Durch die Verwendung definierter Brandstoffe war eine Anpassung der effektiven Verbrennungswärme notwendig.
Gemäß DIN 18232-2 (BMG 3) wurden für das untersuchte Gebäude eine geometrische Rauchabzugsfläche von 7,2 m2 und eine notwendige Zuluftfläche von 9,6 m2
angenommen.
Als zentrale Auswertungsgröße, gemäß dem Leitfaden [1], diente die optische
Dichte DL mit einem festgelegten Grenzwert von DL = 0,1 m-1. Die erforderliche
Mindesthöhe der raucharmen Schicht wurde für die ersten 600 Sekunden
(Selbstrettungsphase) auf 2,5 Meter und für die darauffolgenden 600 Sekunden
(Maßnahmen der Feuerwehr) auf 2,0 Meter festgelegt.
Witterungseinflüsse auf natürliche Rauchabzugsanlagen
Brandszenario
Maximale Brandfläche
20 m2
Spezifische Brandleistung
300 kW/m2
Gemittelte Brandausbreitungsgeschwindigkeit
0,25 m/min
Maximale Wärmefreisetzung
6.000 kW
Effektive Verbrennungswärme
27.140 KJ/kg
Konvektiver Anteil
80 %
Rauchproduktionsrate
0,0615 g/g
Extinktionskoeffizient
8.700 m2/kg
Tabelle 1
Werte Brandszenario
Ergebnis der Simulation ohne Witterungseinflüsse war die vollständige Grenzwertüberschreitung (DL > 0,10 m-1) nach 800 Sekunden im gesamtem Hallenbereich.
Untersuchungen ergaben, dass die Hauptursache hierzu in den unterschiedlich
freigesetzten Rauchgasmassenströmen der jeweiligen Brandquellen (FDS 5 bzw.
Plumemodell nach DIN 18232-2) lag. Das verwendete Plumemodell der DIN 18232-2
erzeugte, für eine Eintragshöhe von drei Metern in die Rauchschicht, einen deutlich geringeren Rauchgasmassenstrom als das verwendete CFD-Modell. Aufgrund
dieser Tatsache wurden die Öffnungsflächen gegenüber der DIN 18232-2 vergrößert, um eine ausreichende Rauchableitung sicherzustellen.
Öffnungsflächen der natürlichen Rauchabzugsanlage
Horizontale
Rauchabzugsflächen
Vertikale
Rauchabzugsflächen
Geometische
Rauchabzugsfläche
14,4 m2
23,52 m2
Geometrische
32,0 m2
35,20 m2
Zuluftfläche
Bemerkung
Rauchabzüge mit Klappflügel (Öffnungswinkel
= 45°)
Tabelle 2
Öffnungsflächen des
untersuchten Gebäudes
Die durchgeführten Simulationen unter Berücksichtigung der Witterungseinflüsse ergaben folgende Ergebnisse:
Fassung 21. September 2009
Erhöhte Umgebungstemperaturen sowie zunehmende Windgeschwindigkeiten
wirken sich negativ auf die Rauchableitung aus. Die Auswirkungen erstrecken
sich dabei von geringfügigem Absinken der Rauchschicht bis zu vollständigem
Verrauchen.
In der Entwicklungsphase des Brandes und bei zunächst noch geringer Rauchentwicklung und niedriger Rauchtemperatur führen die Temperaturdifferenzen aufgrund von Dichteunterschieden zwischen höherer Umgebungstemperatur und
niedrigerer Innenraumtemperatur zu ungewollten Strömungsvorgängen. Diese
bewirken, dass die kältere Innenraumluft durch die Zuluftflächen abströmt und
wärmere Umgebungsluft durch die Rauchabzugsgeräte einströmt (siehe Bild 2).
Die einströmende Umgebungsluft verursacht ein Durchmischen der Rauchgasschicht mit der raucharmen Schicht. Die Intensität der Durchmischung ist abhängig
von den vorliegenden Volumenströmen und der Dauer des Einströmungsvorganges.
Bild 2
Lufteinfall in die
Simulationshalle
Durch Windeinflüsse kommt es zudem an der Frontseite der Halle zum Aufbau
eines Staudrucks. An den Seiten- und Dachflächen sowie an der Rückseite des Gebäudes kommt es zum Ablösen der Strömung mit der Folge, dass sich ein Unterdruck (Sog) einstellt, wie das Bild 3 verdeutlicht. Das Strömungsverhalten ist dabei stark von der Gebäudegeometrie und von dem Turbulenzverhalten abhängig.
Es zeigte sich, dass horizontale Rauchabzugsflächen stärker negativ beeinflusst
werden als die dem Wind abgewandten vertikalen Rauchabzugsflächen. In beiden
Rauchabzugsvarianten beeinflusst die Zuluftzuführung maßgeblich die Rauchableitung. Zuluftflächen, die parallel zur Windrichtung angeordnet sind, unterliegen hauptsächlich der ungleichmäßigen und impulsartigen Zuluftzuführung auf
Grund der seitlichen Strömungsablösung und des daraus entstehenden Unterdrucks an der Gebäudeseite. Die Folge ist, dass die Rauchschicht gestört wird.
Dagegen wird bei Zuluftflächen auf der windabgewandten Seite der bereits abgeführte Rauch aufgrund von Nachlaufwirbeln wieder zurück in die Halle geleitet.
Witterungseinflüsse auf natürliche Rauchabzugsanlagen
An den horizontalen Rauch- und Wärmeabzugsöffnungen entstehen zusätzliche
Beeinträchtigungen durch ständig wechselnde Drucksituationen – hervorgerufen
durch das jeweilige Turbulenzverhalten.
Bild 3
Drucksituation durch
Windeinflüsse
Das in den Vergleichsrechnungen verwendete Zonenmodell CFAST 6 und die
vereinfachten Berechnungsverfahren VDI 6019 und VdS CEA-Richtlinie 4020
verfügen über keine Möglichkeit, Strömungseffekte durch Witterungseinflüsse
zu erfassen. Lediglich das Zonenmodell CFAST 6 kann zwischen zwei Temperaturbereichen (Innen- und Außentemperatur) unterscheiden und Windeinflüsse
berücksichtigen. Negative Effekte wie z.B. Lufteinfall aufgrund erhöhter Umgebungstemperaturen oder impulsbehafteter Zuluftzuführung werden in diesen
Verfahren nicht berücksichtigt. CFAST 6 unterscheidet zwischen einer Heißgasschicht und einer darunterliegenden Kaltgasschicht, die als raucharm angenommen wird. Aufgrund der vorliegenden Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb
der Halle, die zu einem Verwirbeln der Rauchgase führen, ist dies jedoch nicht
gegeben. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die vereinfachten Bemessungsverfahren zur Mitberücksichtigung von Witterungseinflüssen ungeeignet
sind.
Eine Möglichkeit der Kompensation der unzureichenden Rauchableitung ist die
maschinelle Zuluftzuführung mittels Luftschleieranlage. Bei der Luftschleieranlage handelt es sich um eine maschinelle Zuluftzuführung, die beidseitig an den
gegenüberliegenden Hallenwänden in einer Höhe von zwei Meter angebracht
ist. Die Austrittsflächen sind senkrecht zum Hallenboden gerichtet und haben jeweils eine Gesamtlänge von 15 Metern, wie Bild 4 zeigt. Die maximale Ausström
Fassung 21. September 2009
geschwindigkeit beträgt 1,5 m/s. Die Luftschleieranlage wird zeitgleich mit der
natürlichen Rauchabzugsanlage aktiviert.
Luftschleieranlage
Zuluftfläche
Zuluftzustrom
Bild 4
Luftschleieranlage
Die Simulationen mit unterstützender maschineller Zuluftzuführung verdeutlichen, dass die Einbausituation der natürlichen Rauchabzugsöffnungen von großHinweis: Rechtschreibprüfung
er Bedeutung deaktivieren.
ist. So zeigten vertikale Rauchabzugsflächen gute Ergebnisse hinsichtlich des Ausgleichs von Beeinträchtigungen durch Windgeschwindigkeiten
mit bis zu 4 m/s sowie von Beeinträchtigungen durch erhöhte Umgebungstemperatur. Mit Zunahme der Windgeschwindigkeiten (größer 4 m/s) nehmen die Beeinträchtigungen weiter zu. Bei horizontalen Rauchabzugsflächen sind nur begrenzt Verbesserungen durch den Einsatz einer Luftschleieranlage bezüglich der
Rauchableitung festgestellt worden. Eindeutige Verbesserungen gab es nur für
Beeinträchtigungen durch Windeinflüsse mit Strömungsgeschwindigkeiten von
bis zu 4 m/s. Beeinträchtigungen durch erhöhte Umgebungstemperaturen sowie
Windgeschwindigkeiten von mehr als 4 m/s konnten nicht ausreichend kompensiert werden. Zwar liegen bessere Ergebnisse im Vergleich zu den Simulationen
ohne Kompensationsmaßnahmen vor, jedoch wird das Schutzziel nicht erreicht.
Folglich ist zu sagen, dass durch die Verwendung der Luftschleieranlage Verbesserungen hinsichtlich der Rauchableitung entstanden sind. Wie bereits festgestellt sind diese jedoch stark von der Einbausituation der natürlichen Rauchabzugsöffnungen abhängig.
Witterungseinflüsse auf natürliche Rauchabzugsanlagen
Schlussfolgerungen
Witterungseinflüsse nehmen entscheidenden Einfluss auf die natürliche Rauchableitung. Kritische Witterungsbedingungen, wie z.B. hohe Umgebungstemperaturen oder Windeinflüsse, wirken sich nachteilig auf die Rauchableitung aus.
Weiterhin verfügen vereinfachte Berechnungsverfahren über keine bzw. unzureichende Möglichkeiten, Witterungseinflüsse hinreichend genau zu betrachten.
Kompensationsmaßnahmen können negative Effekte bei der Rauchableitung
ausgleichen. Ein Einzelnachweis ist jedoch für die jeweilige Einbausituation notwendig.
Fassung 21. September 2009
Literatur
[1] H
osser, D. (Hrsg.): Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes, Verein
zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V. (vfdb), Mai 2006.
[2] M
cGrattan, K. B.; Klein, B. P.; Floyd, J. E.; Hostikka, S.: Fire Dynamics Simulator
(Version 5) – User’s Guide. National Institute of Standards and Technology,
Februar 2009.
[3] Peacock, R. D.; Jones, W. W.; Reneke, P. A.; Forney, G.P.: CFAST-Consolidated
Model of Fire Crowth and Smoke Transport (Version 6) – User’s Guide. National Institute of Standards and Technology, August 2006.
[4] Musterbauordnung - MBO -, Fassung November 2002.
[5] D
IN 18232-2: Rauch- und Wärmefreihaltung Teil 2: Natürliche Rauchabzugsanlagen (NRA); Bemessung, Anforderungen und Einbau, November 2007.
[6] VDI 6019: Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden, Juli 2007.
[7] V
dS CEA 4020: Natürliche Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (NRA) - Planung
und Einbau, November 2003.
[8] D
eutscher Wetterdienst [Online]: www.dwd.de
10
Weitere Informationen
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hhpberlin ist eines der führenden deutschen Ingenieurbüros für Brandschutz
mit Sitz in Berlin, München, Hamburg und Frankfurt. Die 1999 aus dem
Büro Hosser, Hass und Partner hervorgegangene Firma entwickelt weltweit
Brandschutzkonzepte für nationale und internationale Bauprojekte. Zu den
Referenzen gehören beispielsweise die Münchner Allianz Arena, das Bundeskanzleramt, die Color Line Arena in Hamburg, die Dalian Twin Towers und
das Pudong Museum in China. Die Kompetenz von hhpberlin reicht von der
brandschutzgerechten Fachplanung über die Ausführung bis hin zur Qualitätssicherung – sowohl im Neubau als auch bei der Bauerneuerung.
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