Zeche Zollverein Brandschutzberatung Halle 5 / Halle 7...2013/07/24 · BSCON Brandschutzconsult...

BSCON Brandschutzconsult GmbH

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Staatlich anerkannte Sachverständige

zur Prüfung des Brandschutzes

6140 – Realversuch unterirdische Verkehrsanlage – Vorstellung Rauchfreihaltung Treppenaufgang

Untersuchung von Maßnahmen zur

anlagentechnischen Rauchrückhaltung

Dipl.-Ing. Markus Kraft

Staatlich anerkannter Sachverständiger zur Prüfung des Brandschutzes

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Radusch

Projektingenieur Brandschutz

Ingenieurmäßige Verfahren

Björn Rams

Projektingenieur Brandschutz

Ingenieurmäßige Verfahren

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Einleitung

Die Personensicherheit im Brandfall in

unterirdischen Verkehrsanlagen ist in vielen Fällen

eine schwer zu lösende Aufgabe.

Auf Anforderung der TAB ist bei baulichen

Änderungen eine ganzheitliche Risikoanalyse

(Brandsimulation, Räumungssimulation,

Brandschutzkonzept) zu erstellen.

Die bisherigen Untersuchungen an ca. 14 U-Bahnstationen haben gezeigt,

dass eine Selbstrettung der Nutzer bei einem Brand eines Fahrzeugs ohne

brandschutztechnische Zusatzmaßnahmen kaum möglich ist.

Übliche Brandschutzmaßnahmen zur Verbesserung des Brandschutzes

sind z.B. Rauchrückhaltemaßnahmen wie Rauchschürzen oder

Brandschutztüren auf der Bahnsteigebene.

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Einleitung

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Einleitung

- Welche alternativen Brandschutzmaßnahmen sind denkbar, wenn

bauliche Maßnahmen zur Rauchrückhaltung nicht umsetzbar sind:

- Entrauchungsmaßnahmen auf der Bahnsteigebene?

- Einsatz von Fahrzeugen mit Sprühnebellöschtechnik?

- Einsatz von Rauchschutzdruckanlagen?

- Entrauchungsmaßnahmen erfordern immer große Abluftbauwerke

und leistungsstarke Ersatzstromaggregate. Dies ist oftmals nicht

umsetzbar.

Entrauchungsmaßnahmen mit großen Abluftvolumenströmen

bedeuten nicht automatisch freie Sicht, sondern eher die Störung von

stabilen Rauchschichten bzw. die vollständige Verrauchung der

Bahnsteigebene.

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Einleitung

- Fahrzeuge mit Sprühnebellöschtechnik reduzieren die im Brandfall

freiwerdende Rauchgasmenge deutlich. Jedoch ist nur eine

begrenzte Löschdauer realisierbar und Brände im Technikbereich

(z.B. Unterflur) sind bisher nicht berücksichtigt.

Weiterhin fehlen immer noch ausreichende Erfahrungen mit dieser

Technik unter Betriebsbedingungen eines laufenden

Verkehrsunternehmens.

- Rauchschutzdruckanlagen haben im Hochbau die Aufgabe bei einem

Brand das Eindringen von Brandrauch in z.B. Rettungswege zu

verhindern (z.B. Sicherheitstreppenraum mit Überdrucklüftung).

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Besondere Fälle….

- Beispiel 1: Diese Station verfügt nur über einen baulichen Rettungsweg und weist ein kleines Rauchspeichervolumen auf. Der Einbau von Brandschutztüren ist nicht möglich, da der künstlerisch geschützte Beleuchtungskörper bis in den Treppenaufgang hineinragt und nicht zurückgebaut werden kann.

- Beispiel 2: Station mit sehr kleinem Rauchgasspeicher und knappen Rettungswegen. Brandschutztüren zur Rauchrückhaltung führen nicht zum Ziel, da durch flüchtende Personen die Türen im Brandfall zu lange offen gehalten werden und so auch der Treppenaufgang verrauchen würde.

- Beispiel 3: Station mit Rampen vor den Treppenaufgängen, so dass Brandschutztüren aufgrund der Rampe nicht eingebaut werden können (Luftspalt unter Tür von ca. 15 cm).

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RDA Versuche - Der Weg zur

Lösung?

Da Versuche in realen Stationen nicht umsetzbar waren, wurde der Beschluss

gefasst ein Modell eines Treppenabgangs zu erstellen, und dort einen

Strahlventilator einzubauen.

Mit Hilfe von Video- und Messtechnik sollte versucht werden, die Chancen für

eine Rauchrückhaltung zu untersuchen und Vergleiche mit rechnerischen

Brandsimulation herzustellen.

Im Idealfall sollten durch die Versuchsergebnisse genug Erkenntnisse gewonnen

werden, um bei realen Stationen die groben Randparameter zur

anlagentechnischen Rauchrückhaltung mit Hilfe von rechnerischen

Brandsimulationen erarbeiten zu können.

Aufgrund der Erfahrungen aus dem Hochbau mit RDA-

Systemen und ersten groben Brandsimulationen mit

Ventilatoren im Treppenaufgang von U-Bahnstationen

entwickelte sich der Gedanke, durch Modellversuche das

Thema weiter zu vertiefen.

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Schutzziele der Versuche

Die bisherigen Untersuchungen an bestehenden U-

Bahnstationen haben gezeigt, dass bei einem Brand

eines Fahrzeugs in der Bahnsteigebene die flüchtenden

Personen entweder schon auf der Bahnsteigebene nach

ca. 5-10 min im Rauch stehen, oder auf dem Weg über

die Treppenaufgänge ins Freie von den Rauchgasen

eingeholt werden.

Hieraus lassen sich folgende Schutzziele für die Schubventilatoren

ableiten:

- Rauchfreihaltung des Treppenaufgangs mind. bis zum Ende der

Selbstrettungsphase oder

- Rauchverdünnung im Treppenaufgang und in einem Schutzbereich auf

der Bahnsteigebene, um wartende Personen vor gefährlichen

Rauchgaskonzentrationen zu schützen.

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Versuchsaufbau

- Der Versuchsaufbau berücksichtigt folgende Randbedingungen:

- Geometrie eines Treppenabgangs zur Bahnsteigebene (geneigter Boden

und Dach; größere Raumhöhe auf Bahnsteigebene)

- Tunnelartige Aufweitung am Ende des modellhaften Treppenabgangs

(Aufweitung des Volumens auf der Bahnsteigebene)

- Abströmung der Rauchgase in die Streckentunnel (hier durch Öffnung im

Verbau im Bereich des Brenners)

- Nachführung von Zuluft zum Ventilator aus einem rauchfreien Bereich

(z.B. Verteilerebene; hier durch Zuluftrohre dargestellt)

- Nachströmen größerer Luftvolumina aus dem Bereich der Verteilerebene

aufgrund der Wirkung des Strahlventilators (hier durch Öffnung im

Verbau im Bereich des Treppenaufgangs dargestellt)

- Nachbildung einer Brandquelle durch Gasbrenner und Rauchgeneratoren

(Nebel visualisiert den Weg der heißen Rauchgase)

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Beispiel

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Versuchsaufbau

Schritt 1: Zunächst wurde der grobe Versuchsaufbau errichtet, bevor

dieser weiter detailliert wurde.

Schritt 2: Modellierung der Treppenabgangsschrägen, sowie erste

Aufhängversuche des Ventilators.

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Versuchsaufbau

Schritt 3: Installation Ventilator sowie Konstruktion Treppenabgang.

Nachdem sich die Aufhängung des Ventilators mit der Möglichkeit zur

Justierung des Luftkegels als schwierig herausstellte, wurde der

Ventilator fest installiert und ein „Windleitblech“ oberhalb des Ventilators

angebracht.

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Versuchsaufbau

Schritt 4: Konstruktion Zuluftkanal von Außen, sowie „Zuluftfenster“.

Bei den ersten Testdurchläufen zum Rauchversuch zeigte sich schnell,

dass die Zuluft für den Ventilator aus einem anderen Bereich geholt

werden musste, um einen „aerodynamischen Kurzschluss“ zu

vermeiden.

Des Weiteren musste aufgrund der Rezirkulation ein „Fenster“ in die

Außenwand geschnitten werden, um die Luft zu simulieren, welche

durch den Luftstrom des Ventilators in Bewegung gesetzt wird.

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Versuchsaufbau

Schritt 5: Errichtung von Seitwänden und eines Deckensturzes.

Bei weiteren Rauchversuchen, zeigte sich, dass der „Kegel“ des

Ventilators nicht den kompletten Querschnitt des Treppenabgangs

ausfüllte, sodass Rauch an den Seiten einströmen konnte. Um dies zu

verhindern wurde der Treppenabgang durch Seitenwände und einen

Sturz erweitert.

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Vorversuche

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Grenzen des Versuchsaufbaus

- Versuchsvolumen ist deutlich kleiner als Station

- Abströmung musste vereinfacht werden

- Treppenaufgang endet vor Wand

- Brandquelle ist geringer als Brandszenario nach TR-Brandschutz

- Andere klimatische Verhältnisse als in einer unterirdischen Station

- Keine Tunnelströmungen

- Justierung des Strömungskegels am Ventilator nur eingeschränkt

möglich

- Volumenstrom des Ventilators nicht veränderbar

- Abstand des Ventilators zur Öffnung am Treppenaufgang nicht zu

variieren

- Grenzwerte für die Verrauchung können nicht mit einem Realbrand

verglichen werden

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Vergleichsrechnung

FDS - Brandsimulation

Detaillierte Nachbildung des Versuchsaufbaus in FDS

(Brandsimulationsmodell)

Berücksichtigung der Zu- und Abluftströmungen

Detaillierte Nachbildung des Ventilators

Modellierung der Brandquelle

Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten (30 m/s) ergeben

sich sehr kleine Zeitschritte und eine lange Rechendauer

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Auf Grund der geringen Ausströmöffnung des Ventilators, musste das

Zellraster in diesem Bereich so klein wie möglich gehalten werden.

Anfänglich wurden Versuche mit 1cm Zellraster gestartet, welche jedoch

zu nicht realisierbaren Rechenzeiten führten. Durch eine Verdopplung

der Zellgrößen konnte so die Zellanzahl von ca. 30 Mio. auf ca. 1,8 Mio.

verringert werden.

Vergleichsrechnung

FDS - Brandsimulation

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Vergleichsrechnung

Brandsimulation - Temperatur

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Vergleichsrechnung

FDS – Brandsimulation - Strömung

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Vergleichsrechnung

FDS – Brandsimulation - Verrauchung

- Simulationsergebnisse:

- In der Simulation ist zu erkennen, dass der Treppenbereich nicht

verraucht. Zeitweise lässt sich lediglich ein geringer Raucheintritt

erkennen, welcher jedoch nur kurzweilig ist.

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Vergleich FDS mit

Versuchsergebnissen

Rauchversuch Simulation

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Strömungsbild im

Treppenaufgang

Simulation Messwerte

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Weitere Fragestellungen

- Die Bauform des Ventilators muss weiter untersucht werden (evtl.

sind röhrenförmige Axialventilatoren effektiver).

- Eine Rauchverdrängung ins Tunnelnetz und eventuell bis zur

nächsten Station lassen sich nicht vermeiden.

- Die Frage der sicheren Stromversorgung muss im Einzelfall

untersucht werden.

- Fragen zur Sabotage und Vandalismus müssen geklärt werden.

- Anlagentechnische Maßnahmen ziehen immer Wartungsaufgaben im

Betrieb nach sich.

- Nachführung der Zuluft zum Ventilator muss untersucht werden.

- Die Lage und Art der Detektion zur Inbetriebnahme des Ventilators

muss im Einzelfall beurteilt werden.

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- Die Versuche am Modell haben gezeigt, dass unter diesen

Randbedingungen eine Rauchfreihaltung bzw. eine

Rauchverdünnung in einem Treppenaufgang über einen ausreichend

langen Zeitraum möglich sind.

- Der Vergleich mit den Ergebnissen der Brandsimulation zeigt, dass

ähnliche Effekte sowohl im Modell als auch in der Brandsimulation

nachweisbar sind.

- Es gibt jedoch keine einfache Übertragbarkeit auf reale Stationen.

- Objektspezifische Untersuchungen und Abschätzungen der

anlagentechnischen Parameter müssen für jeden Einzelfall

durchgeführt werden.

- Wirkungsweise der Schubventilatoren müssen nach Einbau im Objekt

überprüft werden.

- Reduzierung der Lufttemperatur im Rettungsweg

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Chancen und Ausblick

- In besonderen Einzelfällen sehen wir die Möglichkeit mit RDA-

Anlagen die Rettung der Nutzer zu verbessern.

- Im Idealfall können Rettungswege über einen längeren Zeitraum

rauchfrei bzw. raucharm gehalten werden.

- Aufgrund der Ventilatoren ist das System weitestgehend unabhängig

von Luftströmungen im Tunnelnetz (Rauchverschleppung).

- Für die Einsatzkräften der Feuerwehr besteht eventuell die

Möglichkeit im Brandfall schnell durch rauchfreie Bereiche bis zur

Bahnsteigebene vorzudringen.

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