Brandsimulation

Wie können Brände simuliert werden?

Für die Heißbemessung von Bauteilen im Rahmen des Brandschutzes werden als Eingangswerte oft Brandraumtemperaturen benötigt. Diese können prinzipiell mit drei verschiedenen Modelle zur Simulation von Bränden ermittelt werden, die mit stark ansteigendem Berechnungsaufwand verbunden sind:

Parametrische Temperatur-Zeitkurven

Die Ermittlung der Brandraumtemperaturen kann am einfachsten über parametrische Temperatur-Zeitkurven erfolgen. Maßgebende Parameter für die Berechnung stellen die Brandlast sowie die Öffnungsfläche dar. Weiterhin wird zwischen einem ventilations- und brandlastgesteuerten Brand unterschieden.

Bei einem ventilationsgesteuerten Brand stellt die Öffnungsfläche den limitierenden Faktor für den Brand dar, während im letzteren Fall die Brandlast das Ausmaß des Brandes beschränkt. Der informative Anhang A des Eurocodes EN 1991-1-2 enthält einen entsprechenden Berechnungsalgorithmus. Das Verfahren gilt für Brandabschnitte ohne Öffnungen im Dach mit einer maximalen Grundfläche von 500 m² und einer maximalen Höhe von 4 m. Es wird davon ausgegangen, dass der Brandabschnitt vollständig ausbrennt.

Brandsimulation mit einem Zonenmodell.

Zonenmodell

Bei Zonenmodellen wird der betrachtete Raumbereich (Brandraum und Folgeräume) in volumenvariable Zonen aufgeteilt. Üblicherweise erfolgt eine Gliederung in 2 bis 20 Zonen, in denen für jeden Zeitschritt (ca. eine Sekunde) die Energie- und Massenbilanz aufgestellt und berechnet wird. Die Zonen sind durch homogene Zustände gekennzeichnet. Weiterhin wird vereinfachend die Impulserhaltung nur im Bereich des Feuerplumes berücksichtigt. Aufgrund des im Vergleich zu den übrigen Modellen geringeren Berechnungsaufwandes haben sich die Zonenmodelle bislang in der Praxis durchgesetzt. Beispielhaft ist in der Abbildung eine Brandsimulation für einen Naturbrand in einer Industriehalle zu sehen.

Download

thouse4_01.avi
Simulation der Heißgastemperaturen bei einem Brand in einem Haus.

thouse4_smoke.avi
Simulation der Verrauchung bei einem Brand in einem Haus.

Feldmodell

Im Gegensatz dazu steigen die numerischen Anforderungen bei den Feldmodellen stark an, da die verschiedenen Räume durch nichtlineare, partielle Differentialgleichungen modelliert werden. Diese beruhen auf der Strömungsmechanik (Navier-Stokes-Gleichungen) sowie den Kontinuitätsbedingungen der Massen-, Energie- und Impulserhaltung.

Die Räume werden zur Lösung dieser Grundgleichungen in sehr kleine Kontrollvolumina aufgeteilt, in denen jeweils homogene Zustände gelten. Aus der auch in zeitlicher Hinsicht sehr fein gegliederten Lösung (Rechenschritte von 0,1 bis 0,01 Sekunden) resultiert ein erheblicher numerischer Aufwand, der einer weiten Verbreitung dieser Rechenmodelle auch heute noch im Wege steht. Es gibt derzeit viele unterschiedliche Feldmodelle.

Die beiden oben zum kostenlosen Download verfügbaren Simulationen eines Brandes in einem Einfamilienhaus entstammen der Beispielsammlung des Feldmodells „Fire Dynamics Simulator“ (FDS) verwendet. Diese Software kann kostenlos vom „National Institute of Standards and Technology“ (NIST) bezogen werden. Die Berechnung für komplexe Problemstellungen dauert je nach Diskretisierung auch auf modernen Rechenclustern durchaus mehrere Tage. Im Gegensatz dazu benötigt ein Zonenmodell aufgrund der erheblichen Vereinfachungen lediglich eine Rechenzeit in der Größenordnung von Minuten.

Unsere Leistung

Gern untersuchen wir für Ihr Projekt Naturbrandszenarien. Dies ermöglicht es uns oft, die Wirtschaftlichkeit Ihres Projekts zu erhöhen. Als Sachverständige für Brandschutz empfehlen wir Ihnen insbesondere den Einsatz von Zonenmodellen.