Das Fortschreiten der digitalen Entwicklung macht vor dem Brandschutz nicht halt. Dabei werden immer anspruchsvollere Simulationsmethoden herangezogen, um den Bedürfnissen einer offenen und modernen Architektur auch in der Brandschutzplanung gerecht zu werden.
Bei der Brandschutzplanung mithilfe von sogenannten Ingenieurmethoden –zum Beispiel bei Themen wie Brand- oder Evakuierungssimulationen – ist es möglich, die Einhaltung der Schutzziele des Brandschutzes bei grossvolumigen und komplexen Brandabschnitten oder besonderen Fluchtwegsituationen nachzuweisen. Auch bei Bestandsgebäuden sind bei Abweichungen nicht selten erst auf Basis moderner Simulationsmethoden verhältnismässige Lösungen möglich. Die Grundlagen und der Nachweisprozess bei Einsatz von Ingenieurmethoden sind in den Brandschutzrichtlinien der Vereinigung der Kantonalen Feuerversicherungen (VKF) bzw. in den Eurocodes klar geregelt, was zu einer hohen Akzeptanz solcher Nachweise führt.
Intelligente Nachweisverfahren
Die Anwendung von Ingenieurmethoden ermöglicht die Untersuchung einer Vielzahl an brandschutztechnischen Fragestellungen. Aktuelle Entwicklungen wie BIM führen dazu, dass der Modellierungsaufwand für die numerischen Simulationsmodelle (sowohl Brandsimulation als auch Heissbemessung) stetig sinkt. Die weit über die dreidimensionale Planung und Kollisionsprüfung hinausgehenden Möglichkeiten von BIM, wie die umfangreiche Definition von Klassen und Attributen, bieten auch für die Ingenieurmethoden im Brandschutz ein hohes Potenzial an Steigerung von Qualität und Effizienz.
Brandsimulationen für Entrauchungskonzepte
Mittels Brandsimulationen können, unter Berücksichtigung der Anwendungsgrenzen, verlässliche Aussagen über die Auswirkungen eines möglichen Brandereignisses auf die Verrauchung und Temperaturverteilung im Brandraum getroffen werden. Dies ermöglicht die virtuelle Untersuchung eines Brandgeschehens.
Die Spezialisten der Gruner Gruppe setzen für die Brandsimulationen sogenannte CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics, übersetzt mit Numerische Strömungssimulation) ein. Mit dem Fortschreiten der Rechenleistung und der Weiterentwicklung der Simulationsmodelle kann heute eine Vielzahl von brandschutztechnischen Fragestellungen hinreichend genau untersucht werden. Dabei sind jedoch immer die Anwendungsgrenzen der Submodelle der Programme zu beachten.
Brandsimulationen kommen in der Regel dann zur Anwendung, wenn das vorliegende Gebäude von den präskriptiven Vorgaben des Baurechts abweicht. Insbesondere steht die Untersuchung folgender, allgemeiner Zielsetzungen im Fokus:
Berechnung der Rauchausbreitung (Entwicklung von Entrauchungskonzepten, Nachweis der wirksamen Entrauchung, Beurteilung der Personensicherheit im Brandfall),
Berechnung der Temperatur- bzw. Wärmestrom-Beanspruchung auf Bauteile, Personen oder angrenzende Brandlasten.
Die Berechnungsergebnisse werden anschliessend mithilfe von Leistungskriterien quantitativ bewertet. Je nach Fragestellung und Schutzziel sind unterschiedliche Leistungskriterien auszuwerten. Ein typisches und häufiges Kriterium ist die Sicherstellung einer raucharmen Schicht mit einer Höhe von 2.5 Metern für den Nachweis einer hinreichenden verfügbaren Dauer der Selbstrettung. Weitere wichtige Leistungskriterien sind Gas- und Oberflächentemperaturen, welche auf nachzuweisende Bauteile wirken.
Durch die Rechnerkapazitäten (Rechenclusters mit über 200 Prozessoren) und die Möglichkeit des Parallelrechnens sind die Experten in der Lage, in kurzer Zeit Brandsimulationen einschliesslich aufwendiger Parameterstudien, zum Beispiel für die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Brandorte, durchzuführen.
Personenstrom-Evakuierungen simulieren
Besonders bei Veranstaltungen mit hohen Besucherzahlen ist ein reibungsloser und sicherer Betrieb eine anspruchsvolle Planungsaufgabe. Dafür braucht es passende Werkzeuge. Personenstrom- und Evakuierungssimulationen bieten sich an.
Betreiber von Veranstaltungsstätten und Veranstalter stünden immer wieder vor der Aufgabe, Personenströme im normalen Veranstaltungsbetrieb (insbesondere während Ein- und Auslassphasen) oder bei der Evakuierung der Veranstaltung im Vorfeld belastbar abbilden zu können. Gerade bei Veranstaltungen mit hohen Besucherzahlen, komplexen Veranstaltungsstätten und begrenzten Platzverhältnissen könnten computerbasierte Personenstrom- und Evakuierungssimulationen diesbezüglich eine grosse Hilfe sein. Sie ermöglichten nicht nur die wissenschaftlich abgesicherte Simulation des Personenverhaltens in Menschenmengen, sondern auch dessen Darstellung im Rahmen aussagekräftiger Bild- und Videodateien – lange bevor die Veranstaltungsstätte gebaut oder die Veranstaltung begonnen hat.
Aus der Erfahrung von vielen Projekten ziehen wir als Experten ein positives Fazit: Für die Kunden der Gruner sind die Ingenieurmethoden im Bereich Personenstrom-Simulationen ein grosser Mehrwert. Sie erlauben bereits im Vorfeld den wissenschaftlich und behördlich anerkannten Nachweis einer sicheren Personenführung in verschiedenen Betriebszuständen. Zudem kann die Betriebs- und Sicherheitsorganisation häufig unter Verwendung der Simulationsergebnisse optimiert werden, was nicht nur der Veranstaltungssicherheit, sondern auch der Wirtschaftlichkeit einer Veranstaltung dient. Aber auch die Besucher selber profitieren. Flüssige Personenströme und ein möglichst ungestörter Bewegungsradius wirken sich positiv auf das Veranstaltungserlebnis aus. Das sind nicht zu unterschätzende Faktoren.
Die Methoden der Personenstrom-Analyse kommen nicht nur bei Veranstaltungsstätten und Veranstaltungen, sondern auch bei anderen Gebäuden mit grossen Personenbelegungen oder brandschutztechnisch anspruchsvollen Sonderlösungen zum Einsatz: Bahnhöfe, Museen, Bürogebäude oder öffentliche Einrichtungen wie Hochschulen lassen sich bei Bedarf hinsichtlich ihrer Personenströme ebenfalls unter Sicherheits- oder Komfortaspekten simulieren.
Heissbemessung von Tragwerkskonstruktionen
Die leistungsorientierte Beurteilung von Tragwerken im Brandfall, die sogenannte Heissbemessung, ist ein wesentlicher Bestandteil der innovativen Brandschutzplanung. Mithilfe einer Heissbemessung werden Brandschutzmassnahmen sowohl für Bestandsgebäude als auch Neubauten risikogerecht und wirtschaftlich ausgelegt.
Die Heissbemessung besteht in den meisten Fällen aus einer gestaffelten Nachweisstruktur, Brandsimulation – Thermische Analyse – Mechanische Analyse. Ziel ist es, im ersten Schritt die gebäudespezifischen Besonderheiten wie Brandlast und Ventilationsverhältnisse bei der Berechnung der Wärmestrom-Beaufschlagung zu berücksichtigen. Im Ergebnis erhält man für jede Bauteilposition eine spezifische Temperaturzeitkurve, welche im Vergleich zu nominellen Brandkurven wie der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) auch den abfallenden Ast nach Verbrauchen der Brandlast enthält (aus diesem Grund werden solche Nachweise oft als Naturbrand bezeichnet). Im Vergleich zu den auf der ETK basierenden Klassifizierungen von Bauteilen, welche den Feuerwiderstand für eine bestimmte Dauer unter ETK-Brandbeanspruchung beschreiben (zum Beispiel R90), gilt der Nachweis auf Grundlage einer Naturbrandbeanspruchung als erbracht, wenn nach der kompletten Brandbeanspruchung die Tragfähigkeit, unter zusätzlicher Bewertung der Verträglichkeit der auftretenden Verformungen, und je nach Bauteil auch der Raumabschluss sowie das Isolationskriterium bestehen bleibt.
Für den Neubau von Gebäuden kann eine Heissbemessung unkompliziert in den Planungsablauf eingebunden werden. Der Lastfall Brand ist wie zum Beispiel Wind und Schnee ein Teil der Bemessungsberechnung und optimiert die konstruktiven Anforderungen hinsichtlich in Bezug auf die Feuerwiderstandsfähigkeit. Durch Verwendung multiphysikalischer Simulationsprogramme können Konstruktionen sehr detailliert abgebildet und berechnet werden. Meist werden nur geringfügige Details verstärkt, um die Feuerwiderstandsfähigkeit auch bei Verzicht von kostenintensiven baulichen Massnahmen nachweisen zu können.
Erstes Fazit
Immer wieder stellt sich folgende Gretchenfrage: Wie steht es dabei um die Sicherheit im Brandfall? Durch die immer weiter fortschreitenden Entwicklungen im Brandschutz und der numerischen Simulation können die plastischen Reserven von Konstruktionen unter Brandbeanspruchung berechnet und dargestellt werden, um sie damit für die Nachweisführung nutzbar zu machen. Im Stahlbau kann damit in vielen Fällen eine Ausführung ohne baulichen Brandschutz ermöglicht werden. Das spart viel Geld und Zeit in der Ausführungsphase. Typische Anwendungsfälle einer Heissbemessung sind auch bestehende Tragwerke, die sich nur mit grossen baulichen Massnahmen unter Einschränkung des Betriebs ertüchtigen lassen würden. Es kann zusammengefasst werden: Präventive Massnahmen beim Brandschutz lohnen sich auf jeden Fall.
