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Verbrennungseffizienzen dienen zur Bewertung des Brandverhaltens von Stoffen im Rahmen der Brandschutzbemessung von Gebäuden.
Da die Verbrennungseffizienz eines Stoffes von den Prüfbedingungen maßgeblich abhängt und kein standardisiertes Bestimmungsverfahren existiert, wurde eine Methode zur Berechnung reproduzierbarer Werte von hölzernen Stoffen anhand des Cone Calorimeters und des Single Burning Item Test entwickelt.
In the frame of the European harmonization, new European technical standards (Eurocodes) have been developed in recent years. Classical methods, like tables and simplified analytical procedures, as well as general engineering techniques are allowed by the Eurocodes for the fire protection design. The modeling and calculation of fire scenarios with CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical methods is one of the general engineering methods. It is nowadays still difficult to check and evaluate the CFD results for their use as technical documents for fire safety design.
Analytical engineering techniques, zone models and CFD-models have been used and compared in the present work for the prediction of the fire development in a building.
To solve the conservation equation for the CFD-model, the CFD-program FDS, with the mixture fraction model, and the CFD-program FLUENT, with the one step reaction model as well as with the volumetric source term model, have been used.
The combustion of polyurethane is modeled in FDS by specifying the heat release rate and the stoichiometry. For the combustion in volumetric source term model, the heat release rate and the smoke release were specified with respect to the stoichiometry. The input parameter for the one step reaction model is the pyrolysis mass flow.
In the one step reaction model, the transport equations for polyurethane, H₂O, N₂, O₂, CO₂, CO and C (soot) are solved and the heat of combustion is determined from the standard formation enthalpy of all the components. In volumetric source term model, the transport equation is solved for air and smoke. FDS solves the transport equation for the mixture fraction.
To model the fire development, and where no literature data was available, the required material characteristics like specific heat capacity, absorption coefficient and heat of combustion were measured.
In all the investigated CFD-models the heat- and species transport equation has been solved and the absorption coefficient of soot has been considered.
Furthermore, the fire development has also been investigated using zone models with the programs CFAST and MRFC.
Results from analytical engineering techniques (plume calculations), which were design criteria in the past, have been used as plausibility checks for the present work. The calculation results from the investigations were compared to measurements in the same building performed by the National Institute for Standards and Technology (NIST).
Mittels Propan-Brennern mit einer Brennerleistung 750 kW wurden in einer U-Bahn-Station Heißgasversuche durchgeführt und die zeitlichen und örtlichen Verteilungen der physikalischen Größen (Stoffkonzentration, Temperatur und Rauchgasdichte) erfasst. Laborversuche sowie die Feldversuche sind Validierungsgrundlage für ANSYS CFX und FDS und die später im Rechenmodell der U-Bahn-Station zur Untersuchung der Grundströmung und Rauchausbreitung verwendeten mathematisch-physikalischen Modelle. Der Aufsatz stellt das Projekt ORPHEUS vor und diskutiert die ersten Ergebnisse.
Nach DIN 18230-1 erfolgt in Deutschland die Brandlastberechnungen unter Anwendung
des Abbrandfaktors m. Der Abbrandfaktor m ist ein dimensionsloser Beiwert mit dem die
Brandlast aus einem Stoff oder Stoffgemisch bewertet wird. Neben dem Brandverhalten
des Stoffes berücksichtigt er das Temperatur-Zeit-Verhalten im Bauteil. Die einzige
Prüfapparatur, mit der Abbrandfaktoren bestimmt wurden, ist jedoch nicht mehr existent.
Ein Wiederaufbau der abgeschafften Prüfapparatur wurde wegen apparateabhängigen
Messunsicherheiten und auch aus wirtschaftlichen Gründen als nicht sinnvoll angesehen.
Die Erarbeitung eines äquivalenten Verfahrens zum Abbrandfaktor m unter Verwendung
der Verbrennungseffektivität und unter Berücksichtigung der Bauteilerwärmung war daher
Gegenstand dieses Forschungsvorhabens. Ziel war es für Brandlastberechnungen
nach DIN 18230-1 die Verbrennungseffektivität anzuwenden. Die Verbrennungseffektivität
beschreibet jedoch nur den verringerten Energieumsatz von Stoffen im Brandraum.
Es wurde daher ein Verfahren erarbeitet, dass ergänzend zur Brandlastberechnung unter
Anwendung der Verbrennungseffektivität das Temperatur-Zeit-Verhalten in einem
brandbelastenden Bauteil berücksichtigt.
The time dependent thermal behavior is analyzed with FLUENT for the fluid as well as the solid region (concrete component) in case of a 100 MW n-heptane fire. To study the effect of parameters in mathematical-physical models several sensitivity studies were carried out to investigate the effect on the fluid flow as well as on the component. The influence of soot was additionally considered. FDS simulations as well as empirical calculations considering underlying assumptions are additionally used to examine the plausibility of results from the FLUENT simulations. This is an appropriate method if no experimental results are available. Recommendations are given for choosing parameters in mathematical-physical models e.g. radiation models. The results of the CFD investigations show that considering the influence of soot provides maximum temperatures which were 200 K lower than without soot.
In a bus depot fire in Germany 69 buses were destroyed in 2011. The fire started in one bus. Investigations after the fire showed that most likely a technical defect was the cause of the fire. The fire spread very rapidly to the other buses. The bus depot was in a building, which was also completely destroyed. In recent years several fires occurred in bus depots in Germany. All these fires showed the same rapid fire development, though the 2011 fire was the most severe with a property loss of about 22 million Euro. Operation interruption also is a key issue after these fires. The fire development and fire spread was investigated numerically after the fire with FDS 5 (NIST). The predicted fire spread was in good agreement with the timeline, which could be reconstructed after the fire: a video was made by a monitored location nearby.
Reasons for the rapid fire development and spread were investigated as well as fire safety measures in the building as smoke and heat Ventilation. Extensive experimental investigations of bus materials showed that these materials have poor fire performance compared with materials of other transport vehicles, e.g. trains. The poor fire performance of the bus materials affect directly the fire and smoke development in bus fires. As well as the real cases as the numerical calculations show that is nearly impossible to save the building or other buses in a building, which is used as a bus depot if one bus is already fully in fire. Often the bus fires Start in the engine compartment. Onboard suppression Systems can significantly reduce the hazard of these fires. Different fire safety measures are discussed and recommendations are derived from the investigations to reduce the hazard of bus depot fires.
Der schwerwiegende Brand in einem Busdepot mit einem Verlust von 70 Fahrzeugen im Jahr 2011 in Deutschland hat gezeigt, dass Busdepots nicht wie andere Industriegebäude ausgelegt warden dürfen, ohne die speziellen Anforderungen zu berücksichtigen, die für ein Busdepot mit vielen Bussen innerhalb eines Gebäudes notwendig sind. Die Feuerentwicklung im Busdepot wurde untersucht und die Brandschutzmaßnahmen wurden bewertet. Aufgrund der Untersuchungen der Provinzial Versicherung und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wurden Empfehlungen ausgesprochen, wie der Brandschutz von Busdepots verbessert werden kann.
Bei ca. 1 % aller Busse im Jahr tritt ein Brandereignis auf. Die Brände, die sich oft vom Motorraum aus entwickeln, breiten sich in den meisten Fällen sehr schnell aus und haben oft den Totalverlust des Busses zur Folge. Die Zeit, die Passagieren zur Selbstrettung bleibt, ist sehr kurz. Das zeigen sehr deutlich die schweren Busbrände vom November 2008, Mai 2011 und Februar 2012 in Deutschland. Im November 2008 kamen 20 der 32 Passagiere ums Leben, weil sie sich nicht mehr selbst aus dem Bus retten konnten. Im Mai 2011 und im Februar 2012 war es nur der Fitness und Entschlossenheit der jungen Passagiere zu verdanken, dass es nicht zu Todesopfern kam: die Passagiere konnten die Scheiben des Busses einschlagen und sich durch den Sprung aus dem Fenster retten, einige verletzten sich dabei schwer.
In dem von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Projekt wurde sowohl anhand von Realfällen als auch von umfangreichen experimentellen Untersuchungen an Busmaterialien und begleitend dazu mit numerischen Untersuchungen die aktuelle Brandsicherheit von Bussen untersucht. Der Vergleich mit den anderen Transportsektoren - insbesondere mit der Bahn - ergab, dass die Brandsicherheit von Bussen weit unter der Brandsicherheit der anderen Transportsektoren liegt, obwohl die Bedingungen bei Straßenbahnen und Linienbussen und Fernzügen und Reisebussen durchaus vergleichbar sind.
Auf Grund der umfangreichen Untersuchungen wurden Verbesserungsvorschläge erarbeitet, die die Zeit, die den Passagieren zur Selbstrettung bleibt, signifikant verlängern können. Es wurden dabei sowohl die in Bussen eingesetzten Materialien hinsichtlich ihrer Entflammbarkeit, der Wärme- und Rauchfreisetzung, als auch andere Maßnahmen wie Löschanlagen untersucht und bewertet. Dazu wurden auch Großversuche an einem intakten Bus durchgeführt. Ein Katalog an Maßnahmen wurde erarbeitet, der die Brandsicherheit in Bussen entscheidend verbessern kann.