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Chemische Brandanalytik
(2010)
Bei der Ermittlung von Brandursachen und bei der Rekonstruktion von Brandverläufen kommt der Frage, ob und wie bei der Entstehung und Entwicklung des betreffenden Brandes Brandbeschleuniger beteiligt waren, eine bedeutende Rolle zu. Dennoch stehen umfangreiche experimentelle Daten zu originalmaßstäblichen Raumbrandversuchen, die den Einfluss von Brandbeschleunigern untersuchen, oder zumindest beiläufig berücksichtigen, kaum bis nicht zur Verfügung. Dieser Artikel berichtet über eine originalmaßstäbliche Versuchsserie, die diesen Einfluss auf den Verlauf von Raumbränden zum Gegenstand hatte. Es zeigt sich, dass die Beteiligung von Brandbeschleunigern einen unwesentlichen Einfluss auf die Ausprägung einzelner brandtechnologischer Kenngrößen, wie Wärmefreisetzungsrate, Brandraumtemperatur, Kohlenmonoxidfreisetzung uvm. hat, sich die Zeitspannen zum Eintreten von Ereignissen oder zum Erreichen bestimmter Kriterien jedoch erheblich verändern.
Dieser Bericht behandelt die Durchführung, Auswertung und Ergebnisse einer Versuchsserie zu Raumbränden. Diese wurde zur Untersuchung von Fragestellungen zum Einfluss von Brandbeschleuniger auf den Brandverlauf sowie zu den Möglichkeiten des Nachweises des Brandbeschleunigers in kriminaltechnischen Ermittlungen durchgeführt.
Die Versuche haben im Rahmen des Forschungsprojekts Brandspurenanalytik der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung im Jahr 2012 an der Brandprüfstelle Laue der Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen Leipzig mbH stattgefunden. Im Forschungsprojekt wurden verschiedene Materialien und ihr Brandverhalten in Kombination mit flüssigen Brandbeschleunigern in der Rauchdichtekammer (DIN EN ISO 5659-2), dem Cone Calorimeter (ISO 5660-1) und dem Single Burning Item Test (DIN EN 13823) untersucht. Die Untersuchungen hatten zwei Schwerpunkte.
Einerseits wurde im Anschluss an die Versuche der Brandrückstand mit analytischen Methoden mit dem Ziel des Nachweises des Brandbeschleunigers untersucht. Andererseits dienen die gemessenen Größen wie Massenverlustrate, Wärmefreisetzungsrate und Temperaturen innerhalb der Proben als Vergleichsgrößen bei der Validierung numerischer Simulationen und der genutzten Materialmodelle. Ergänzend zu den kleinskaligen
Versuchen wurden die selben Materialien in den in diesem Bericht vorgestellten Raumbränden verwendet, um das Brandverhalten im Originalmaßstab zu untersuchen.
Der gesamte Bericht gliedert sich in drei Teile. Der hier vorliegende Teil 1 thematisiert den Aufbau, die Durchführung und die brandtechnologische Auswertung der Versuche und diskutiert Untersuchungsergebnisse zum Brandverlauf. In Teil 2 werden die analytischen
Methoden zum Nachweis des Brandbeschleunigers in den Brandrückständen vorgestellt und ausgewertet und in Teil 3 werden Empfehlungen zur Probenahme von Proben zum Brandbeschleunigernachweis auf Basis der gewonnen Erkenntnisse im Forschungsprojekt gegeben sowie die Ergebnisse der in diesem Bericht vorgestellten Versuche
vorgestellt.
Die hier beschriebenen Versuche bildeten einen typischen Wohnzimmerbrand ab. In einem Brandraum mit einer Fläche von 20m² wurden verschiedene Einrichtungsgegenstände, wie Sofas, Regale, ein Esstisch, vier Stühle und ein Couchtisch, als Brandlast angeordnet. Insgesamt wurden fünf Versuche bei identischer Brandlast durchgeführt.
Beim ersten Versuch erfolgte die Zündung mit einem Feuerzeug an einem der Sofas.
Bei den vier weiteren Versuchen wurde mit einem Benzin-Diesel-Gemisch als Brandbeschleuniger an jew. unterschiedlichen Positionen im Brandraum gezündet. Während dem Versuch wurden die Temperaturen im Brandraum mit Mantelthermoelementen, Wärmeströme auf Oberflächen mit Plattenthermometern, die Konzentration verschiedener
Gasspezies, der globale Massenverlust, der Fluidmassenstrom durch die Zuluftöffnung und die Wärmefreisetzungsrate gemessen.
Im Anschluss an den Versuch wurden Brandschutt- und Rußwischproben genommen.
Diese wurden mit dem Ziel des Nachweises der verwendeten Brandbeschleuniger analysiert.
Die Zündung mit Brandbeschleuniger führte primär zu einer erhöhten Brandentwicklungsgeschwindigkeit.
Der Flashover trat bei allen Versuchen, die mit Brandbeschleuniger gezündet wurden, wesentlich früher auf, als bei dem ersten Versuch, der mit einem Feuerzeug gezündet wurde. Die erreichten Maximalwerte der brandtechnologischen Kenngrößen, wie beispielsweise die Temperaturen im Brandraum oder die Wärmefreisetzungsrate,
waren jedoch bei allen fünf Versuchen in der gleichen Größenordnung. Die gewonnen Daten zum Brandverlauf können als Vergleichswerte für numerische Simulationen verwendet werden.
The chemical analysis of fire debris represents a crucial part in fire investigations to determine the cause of a fire. A headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) procedure for the detection of ignitable liquids in fire debris using a fiber coated with a mixture of three different sorbent materials (Divinylbenzene/Carboxen/Polydimethylsiloxane, DVB/CAR/PDMS) is described. Gasoline and diesel fuel were spiked upon a preburnt matrix (wood charcoal), extracted and concentrated with HS-SPME and then analyzed with gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). The experimental conditions—extraction temperature, incubation and exposure time—were optimized. To assess the applicability of the method, fire debris samples were prepared in the smoke density chamber (SDC) and a controlled-atmosphere cone calorimeter. The developed methods were successfully applied to burnt particleboard and carpet samples. The results demonstrate that the procedure that has been developed here is suitable for detecting these ignitable liquids in highly burnt debris.
The standard cone calorimeter according to ASTM E 1354 and ISO 5660 enables reaction-to-fire tests to be performed in ambient atmospheric conditions. A controlled-atmosphere chamber modifies the standard apparatus in a way that allows tests to be performed in nonambient conditions as well. The enclosed chamber is placed underneath the standard exhaust hood and does not have a closed connection to the hood. With this open arrangement, the exhaust gases are diluted by excess air drawn in from the laboratory surroundings. Heat-induced changes in the consequential dilution ratio affect the calculation of fire quantities and, when neglected, lead to deviations of up to 30% in heat release rate. The paper introduces a test protocol and equations to calculate the heat release rate taking dilution effects into account. A mathematical correction is shown that compensates for the dilution effects while avoiding extensive mechanical changes in the equipment.
Based on forensic evidence, a smouldering fire was observed to have occurred at a murder scene. Identification of a reasonable timeline – specifically the fire dynamics of the ignition and fire growth that occurred coincident with the death that took place – became an important focus of the criminal investigation that followed. The fire service was called when a neighbour saw a grey smoke escaping through the ventilation system of the bathrooms on the roof of the house. One flat door with elevated temperatures was found. The fire fighter who entered the flat first reported later that the flat was completely filled with smoke and all windows were closed. When the fire fighter opened the balcony door, he saw flames on the sofa that he extinguished. Then he found a body on the floor. The autopsy showed later that the victim was dead before the fire started. The police suspected that the murderer probably had deliberately set the fire to destroy evidence. One suspect had been witnessed to be in the flat approximately 2 h before the fire was detected by the neighbour. The aim of this project was to investigate how the fire most likely started and developed.
Der vorliegende Bericht ist der 2.Teil eines Gesamtberichtes und schildert ausführlich die im Kontext des BAM-Innovationsoffensive-Projektes „Chemische Brandspurenanalytik“ durchgeführten Untersuchungen und fasst die gewonnenen analytischen Erkenntnisse zusammen. Der gesamte Bericht gliedert sich in drei Teile. Der erste Teil beinhaltet den Aufbau, die Durchführung und die brandtechnologische Auswertung der durchgeführten Raumbrandversuche, während in dem hier vorliegenden Teil die analytischen Methoden zum Nachweis des Brandbeschleunigers in den Brandrückständen vorgestellt und ausgewertet werden. Die Beurteilung von Brandspuren und daraus abgeleitet die Rekonstruktion eines Brandverlaufes beruhen auch auf der präzisen chemischen Analyse der Brandprodukte. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine innovative Methodik entwickelt, wie verfügbare Analysetechniken in geeigneter Weise kombiniert werden können, um aus festen, flüssigen und gasförmigen Brandrückständen Rückschlüsse auf den Brandverlauf ziehen zu können. Neben der Untersuchung von Proben von realen Brandorten wurden verschiedene wohnungstypische Materialien unter Laborbedingungen unterschiedlichen Brandszenarien unterworfen. Die dabei entstehenden Brandgase, Aerosole sowie der verbleibende Brandrückstand wurden durch geeignete analytische Verfahren analysiert, um mögliche Brandursachen beurteilen zu können. Der Schwerpunkt dieses Berichtes liegt in dem Nachweis von Brandbeschleunigern. Es zeigte sich, dass mittels der Kombination aus HS-SPME-GC-MS sowohl in den festen Brandrückständen, als auch in den Kondensaten Brandbeschleuniger eindeutig und verlässlich nachgewiesen werden können. Anhand von 5 verschiedenen Zimmerbrandversuchen wurde der Einfluss von Brandbeschleunigern auf den Brandverlauf experimentell untersucht. Es wurden verschiedene brandtechnologische Kennwerte, wie der Massenverlust des gesamten Brandraums, Brandraumtemperaturen, die Wärmefreisetzungen sowie die Rauchgasemissionen ermittelt und beurteilt. Die Rauchgasanalyse erfolgte im Schlot, im Brandraum sowie in der Brandraumöffnung mittels Fourier Transformierte Infrarot-FTIR-Spektroskopie. Neben diesen brandtechnologischen Untersuchungen, die im Bericht Teil 1 enthalten sind, erfolgten auch chemisch-analytische Untersuchungen nach dem Brand, mit dem Ziel, den eingesetzten Brandbeschleuniger nachzuweisen. Im Anschluss an die jeweiligen Zimmerbrandversuche wurden verschiedene Brandrückstandsproben aus dem Brandschutt, Wischproben von den Wänden und den übriggebliebenen Gegenständen genommen und mit Hilfe einer entwickelten HS-SPME-GC-MS-Methode (Headspace-Solid Phase Micro Extraction-Gas Chromatographie-Massenspekrometrie) in Hinblick eines möglichen Brandbeschleunigernachweis analysiert.
Reconstructing the course of a fire and performing chemical analysis of ignitable liquids in fire debris is an important tool to conduct fire investigations in suspected arson cases. Here, a total of five fire tests has been performed to investigate the effect of fire accelerants on the fire development of a room fire and to prove the capability of analytical methods. Different experimental scenarios have been realized (no accelerant, accelerant applied at different positions, and different amounts of fire accelerant). Each test room was equipped with an identical set of living room furnishing. The location and amount of the fire accelerant applied löschen varied in four of five tests. One experiment was carried out without fire accelerant. Fire quantities such as mass loss (of the entire room), gas temperatures (at several locations in the room), and heat release were determined during the experiments, and chemical-analytical studies were carried out. A headspace solid phase micro extraction procedure, using gas chromatography–mass spectrometry, was used to analyze fire debris samples to potentially detect ignitable liquids. Beside the analysis of fire debris samples, swipe soot samples were analyzed and the detectability of the fire accelerant used was demonstrated. Results show that it is possible to provide evidence of ignitable liquids in soot samples collected from walls. This allows an additional sampling strategy at potential crime scenes, besides taking fire debris samples.