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Organisationseinheit der BAM
Fire smoke contains a variety of highly toxic substances and can lead to unconsciousness within a few minutes and to death for critical concentrations. Currently the engineer’s methods of fire safety include various procedures to calculate the fire propagation and smoke spread in buildings.
However, up to now the evaluation and calculation of smoke concerning its optical properties and toxic potential on the basis of a detailed combustion is still a field of research. Since smoke composition is highly variable and not fully characterised it has to be examined whether and how the Chemical composition and the optical properties of smoke are correlating. A method has been developed that establishes the relation between the smoke components and smoke toxicity.
Anwendung und Vergleich von Verfahren zur Berechnung der äquivalenten Branddauer im Industriebau
(2013)
Die äquivalente Branddauer tä wird zur Bestimmung der Feuerwiderstandsdauer erftp von Bauteilen in Industriebauten verwendet. Die Berechnung erfolgt bislang auf der Grundlage des normativenAnsatzes nach DIN 18230 (Verfahren I) und gilt im Zusammenhang mit der Muster-Industriebaurichtlinie (M IndBauRL). Im Rahmen von brandschutztechnischen Nachweisen für Industriebauten ist es ebenfalls möglich, die äquivalente Branddauer unter Anwendung numerischer Methoden zu berechnen (Verfahren II). Die Anwendung solcher Ingenieurmethoden des Brandschutzes ermöglichen die Berücksichtigung komplexer Gebäudegeometrien und Ventialtionsbedingungen sowie lokaler Brandwirkungen auf Bauteile infolge inhomogener Brandlastverteilungen.
Am Beispiel einer Industriehalle werden die Verfahren I und II angewendet und die Ergebnisse gegenübergestellt.
Brandverhalten von Bauprodukten: Brauchen wir Regelungen für die Menge und Giftigkeit der Rauchgase?
(2008)
In urban areas the demand for public transportation is constantly growing. Underground railway systems overcome the problem of limited space on the ground and are therefore one of the most powerful systems in urban public transportation. These facilities can be very complex and are used by a large amount of passengers. Therefore, it is important to maintain the safety for people and buildings. Especially in the case of fire or arson attack.
This paper focusses on a fire scenario in a complex subway station for different weather conditions. The purpose is to identify the influences of different weather conditions on the smoke spread and the ability of self-rescue in case of a burning luggage.
The evaluation of the fire simulations will focus on toxicity and visibility taking into account the FED concept.
Brandlasten stellen eine Gefahr für den Menschen sowie für das industrielle Gebäude dar, in dem sie gelagert sind. Das Brandverhalten der Brandlasten bestimmt dabei maßgeblich die Schwere der Gefahr. Brandschutzmaßnahmen dienen dazu, im Brandfall das Schadensausmaß zu minimieren. Um geeignete Brandschutzmaßnahmen ableiten zu können, ist es erforderlich, das Brandverhalten der Materialien zu bewerten. Eine international angewandte Möglichkeit zur Bewertung des Brandverhaltens von Feststoffen und Flüssigkeiten ist die Verbrennungseffizienz χ. Sie ist das Verhältnis der während einer Verbrennung effektiv freigesetzten Wärme (effektive Verbrennungswärme) zu der maximal möglichen Wärmemenge (Heizwert). Die Grundlage zur Bestimmung von Verbrennungseffizienzen stellen die Wärmefreisetzungsrate (HRR) und die Massenverlustrate (MLR) dar. Ein standardisiertes Bestimmungsverfahren existiert nicht. So liegt es in dem Ermessen des Anwenders, in welcher Prüfapparatur die Experimente durchgeführt werden und welcher Zeitbereich der HRR und der MLR zur Berechnung der Verbrennungseffizienz verwendet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Versuche im Cone Calorimeter und im Single Burning Item test anhand von hölzernen Materialien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen auf, dass sich in Abhängigkeit von der verwendeten Prüfapparatur und in Abhängigkeit des für die Berechnung betrachten Versuchszeitraumes verschiedene Werte der Verbrennungseffizienz ergeben. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde eine Methode entwickelt, mit der reproduzierbare Werte berechnet werden können. Dabei erfolgt die Berechnung lediglich für die Vollbrandphase. Diese Brandphase stellt die Hauptbrandphase dar und ist durch eine gleichmäßige Verbrennung mit wenigen Änderungen in der Branddynamik gekennzeichnet.
Die Brandlastberechnung für Industriebauten erfolgt in Deutschland entsprechend der DIN 18230-1. Brandlasten bestehen in den meisten Fällen aus verschiedenen brennbaren Feststoffen und Flüssigkeiten, die in Abhängigkeit ihrer Lagerungsart, ihren stofflichen Eigenschaften und den Ventilationsbedingungen unterschiedliche Wärmeleistungen zur Folge haben. Als Eingangsgröße zur Brandlastberechnung berücksichtigt der sogenannte Abbrandfaktor m (m-Faktor) das individuelle Abbrandverhalten von Feststoffen und
Flüssigkeiten. Sein Wert ergibt sich aus dem Vergleich der zeitlichen Temperaturentwicklung beim Abbrand einer Probe mit der Referenzprobe. Bei der Referenzprobe handelt es sich um sägerauhes Fichtenholz, dem ein m-Faktor von m = 1,0 zugeordnet wurde. Die Bestimmung des m-Faktors erfolgte bis vor einigen Jahren entsprechend der DIN 18230-2 in dem m-Faktor-Ofen. Bis zu der Verschrottung des letzten in Deutschland existierenden m-Faktor-Ofens wurden mehr als 100 m-Faktoren von verschiedenen Stoffen ermittelt. Zurzeit ist es nicht möglich zur Brandlastermittlung m-Faktoren experimentell zu bestimmen.
Da infolge industrieller Entwicklungen zunehmend neue Stoffe auf den Markt kommen, deren Abbrandverhalten zu bestimmen.
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.
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.
The Fractional Effective Dose model was used to predict the fire smoke toxicity numerically. In this context fire tests were carried out for three different building materials: polyurethane, flame retardant polyurethane and polyvinyl chloride. The fire tests were performed for flaming and smoldering combustion. The aim of the fire tests was to determine the light extinction, the smoke density and the combustion products at varying oxygen concentrations, different temperatures and different irradiance levels. The fire tests were performed in the German DIN-tube and also in the Cone Calorimeter. Stoichiometric coefficients at varying oxygen concentrations and temperatures were determined from measurements. With these stoichiometric coefficients reaction equations were defined and implemented in the Computational Fluid Dynamics (CFD) program, ANSYS CFX. The implemented reaction equations were used to account for different ventilation and temperature conditions in the simulation. The fire and smoke propagation was calculated numerically with CFD in the room corner test geometry. Equations to account for toxicity and light extinction were also implemented and were used to analyse the toxicity and the optical properties of fire smoke with CFD.
Vehicle fires in tunnels can have catastrophic consequences for the road users, the property and traffic inffastructure. To support an evacuation planning, this study simulates the fire smoke toxicity and the smoke layer of a vehicle fire in a full-size test tunnel. The three dimensional prediction of the fire smoke toxicity in the test tunnel is realized by implementing the Fractional Effective Dose and the Fractional Summation concept in a CFD environment. The developed model facilitates to calculate fire scenarios for various types of tunnels and to quantify the hazard e.g. during an evacuation scenario.
Im Rahmen der schutzzielorientierten Brandschutzbemessung müssen, neben dem Nachweis der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen, Nachweise zur Einhaltung von in Abhängigkeit des Sicherheitsniveaus festgelegter Grenzwerte für die zulässige Wärmestrahlung, die Temperatur der oberen und unteren Rauchschicht, die toxische Konzentration von Rauchgasen und die Mindestsichtweite zum Schutz von Personen im Bauwerk erbracht werden.
Probabilistic thermo-Mechanical analysis of a concrete tunnel lining subject to fire The probability distributions of the parameters related to the thermal analysis was considered in order to study the variability of the results and to carry out a reliability analysis. This assessment considered as random variables the thermo-mechanical properties of the concrete, the maximum heat release rate (HRR), the duration of the period of maximum HRR, the convective coefficient, the emissivity at the surface exposed to the fire, the air velocity within the tunnel, and the initial fire radius. The temperature-time curve was described by a correlation. An experimental design based on a Latin Hypercube Sampling algorithm was performed to define the input parameters to each analysis case. The definition of a limit state function based on the punctual strain status has permitted to carry out a reliability analysis.
A probabilistic approach for finite element analysis (FEA) for tunnel linings exposed to the nominal fire is presented. The probabilistic FEA accounted for the uncertainties distributions tied to the conductivity and specific heat as well as of the compressive strength, tensile strength, Young’s modulus, and ultimate strain in compression. To get an understanding on the influence of different probability density functions on the distribution of maximum displacements of the tunnel lining, a sensitivity analysis was performed. Four sets of FEAs were carried out with different probability distributions of the conductivity, the specific heat, and the compressive strength of the concrete, respectively. An experimental design based on a Latin Hypercube Sampling algorithm was performed to define the input parameters which describe each analysis case. A reliability analysis was executed considering a limit state function based on the temperature-dependent ultimate strain. The results show that, depending on the distribution adopted, the standard deviation of the maximum displacements can vary up to 47,4% of the minimum standard deviation. The large standard deviation is associated with the possibility of a greater displacement and, hence, to a structure more vulnerable to fire.