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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).
Busbrände treten relativ häufig auf, auch wenn sich das im öffentlichen Bewusstsein nicht unbedingt widerspiegelt. Nach einer eigenen Internetrecherche brennt etwa an jedem zweiten Tag ein Bus in Deutschland.
Die grundlegenden Brandschutzvorschriften für Busse gehen auf die amerikanische
Norm FMVSS 302 zurück, die in den 60er Jahren entwickelt wurde und ist quasi weltweit noch immer in sämtlichen nationalen und internationalen Brandschutzvorschiften wiederzufinden. Ziel der FMVSS 302 ist es vor allem, Fahrzeugbrände durch das Rauchen zu verhindern. Verschiedene Untersuchungen zeigen jedoch, dass die meisten Busbrände andere Ursachen haben und zu ca. 80 % im Motorraum entstehen. Auch das Versagen von elektrischen Komponenten ist häufiger die Brandursache. Dies geschah z.B. im Jahr 2008 bei einem schweren Busbrand in der Nähe von Hannover, bei dem sich gerade einmal 13 Passagiere selber retten konnten und 20 Menschen ihr Leben verloren. Einige Brandleichen wurden sogar noch am Sicherheitsgurt angeschnallt aufgefunden.
Durch die enorme Zunahme brennbarer Kunststoffteile in Bussen entstand ein bisher unberücksichtigtes Risiko, das bei der Normentwicklung in den 1960er Jahren nicht berücksichtigt wurde. So hat sich die Brandlast seitdem etwa verzehnfacht und das toxische Potential erheblich gesteigert. Nach wenigen Minuten muss bei den Brandopfern bereits mit einem schnellen Tod durch Rauchgasvergiftungen gerechnet werden. Aufgrund der schnellen Brandentwicklung in Bussen können Passagiere in den allermeisten Fällen nicht bis zum Eintreffen der Feuerwehr warten und müssen sich selber retten. Die Zeit für die Selbstrettung muss signifikant verlängert werden, so dass auch mobilitätseingeschränkte Passagiere eine Chance zum Verlassen des Busses haben. Der Vergleich mit Brandschutzanforderungen anderer Transportsektoren (Bahn, Schiff, Flugzeug) zeigt, dass die Anforderungen dort sehr viel höher sind. Sowohl die Entflammbarkeit als auch die Wärmefreisetzung sowie die Rauchfreisetzung werden in diesen Normen begrenzt. Zudem werden Materialanforderungen hinsichtlich der Rauchgastoxizität gestellt.
Im Ergebnis dieser Arbeit sollen einerseits Brandschutzempfehlungen für die zweckmäßige und zugleich wirtschaftlich vertretbare Ausstattung von Bussen im Innenbereich unterbreitet werden. Andererseits sollen auch Überarbeitungsvorschläge für Prüftests vorgestellt werden, die den Brandschutz von Kraftomnibussen sicherstellen und erstmals auch Grenzwerte für die Rauchgastoxizität beinhalten. Dazu werden neben den Brandversuchen auch numerische Simulationen mit dem Fire Dynamics Simulator (FDS, Version 5, NIST) durchgeführt, in denen verschiedene Brandszenarien mit unterschiedlichen Buskategorien simuliert werden.
Not only the severe bus fire in 2008 near Hanover in Germany with 20 fatalities showed the fire danger for coaches1,2. Also two other similar fires in Germany in May 2011 and February 2012 showed the extremely hazardous situations a fire can cause in bus3,4. In both cases young and fit passengers (pupils) could only escape because they were able to destroy Windows and escaped by jumping out of these Windows. In one case they had to escape out of the Windows of the upper deck and several were severe injured. These numerical and experimental investigations of bus fires in coaches and city buses performed by BAM are funded by the German Ministry of Transport, Building and Urban Development. Web and literature research showed that fires occur much more often than assumed. Most of the fires Start in the engine compartment. However, often the whole bus is destroyed after a fire. One reason for the rapid fire development are the fire safety regulations for the bus materials which are on a much lower level than in the other transport sectors1,2,5,6’. A lot of materials from suppliers and of operating city buses were investigated experimentally. The results were compared with regulations in the train sector because trams and city buses, trains and coaches are working under similar operating conditions, e.g. for escape possibilities. These results were used to investigate bus fires also numerically to identify very hazardous scenarios by varying materials properties, geometries and air condition settings.
Additionally real scale experiments were performed on different bus seats; ignited by a paper cushion. Especially the newer bus seats showed a very low fire performance with high heat and smoke release rates. Surprisingly a city bus seat of an older bus (built in 1995) showed a better fire performance. It is assumed that the trend to cheaper and lightweight plastics is one reason that modern seats have worse fire performance. Large scale tests were performed on a city bus - smoke development, fire detection and suppression in the engine area. Several possible enhancements are discussed and recommendations are given to make buses more fire safe.
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.
Aus Klein- wird Großbrand
(2013)
A controlled-atmosphere cone calorimeter that is built by modifying the Standard apparatus with the addition of a controlled-atmosphere chamber offers a time- and cost-saving approach for reaction-to-fire testing in vitiation- and ventilation-controlled atmospheres. Due to the design of the added enclosure no mechanical changes on cone calorimeter’s Standard ductwork are required. This offers some advantages but also important limitations. The design has an open connection between the outlet of the added enclosure and the cone calorimeter’s exhaust hood. Therefore, sufficient ambient air from the laboratory surroundings is drawn into the System to introduce effects which have the potential to affect test results significantly.
A procedure which is is suitable to consider physical effects of the ambient air on the calculation of the heat release rate is presented as well as initial results of an application towards toxic potency assessment. Signs for Chemical effects of the ambient air such as post reactions are shown but subject of an ongoing work.
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.
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.