Zur Brandbeanspruchung vertikaler Tragglieder in ...elpub.bib.uni- .Kurzfassung 2 Kurzfassung Die

  • View
    214

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Zur Brandbeanspruchung vertikaler Tragglieder in ...elpub.bib.uni- .Kurzfassung 2 Kurzfassung Die

  • Zur Brandbeanspruchung vertikaler Tragglieder in Personenverkehrsanlagen

    Dissertation

    zur Erlangung eines Doktorgrades

    (Dr.‐Ing.)

    im

    Fakultät 5 – Architektur und Bauingenieurwesen

    der

    Bergischen Universität Wuppertal

    ‐ Fach Bauingenieurwesen ‐

    vorgelegt von

    Dipl.-Ing. Dimitrios Toris

    aus Wuppertal

    Wuppertal 2016

  • Die Dissertation kann wie folgt zitiert werden:

    urn:nbn:de:hbz:468-20180416-153710-5 [http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn%3Anbn%3Ade%3Ahbz% 3A468-20180416-153710-5]

  • Kurzfassung 2

    Kurzfassung

    Die thermische Beaufschlagung vertikaler Tragglieder in Personenverkehrsanlagen auf

    der Grundlage des neuen DB-Bemessungsbrandes für den gemischten Reisezugverkehr

    kann mit Ingenieurmethoden unterschiedlicher Komplexität und Aussagekraft unter-

    sucht werden.

    Eine vereinfachte Bemessung mit Hilfe von Vollbrandmodellen würde wegen des loka-

    len Charakters des Brandereignisses zu deutlich unwirtschaftlichen Ergebnissen führen.

    Analytische Formeln für die Bestimmung der thermischen Beaufschlagung bei lokalen

    Bränden lassen sich nur auf horizontale Bauteile (Balken, Decken) anwenden.

    In dieser Arbeit wird mit Hilfe eines Feldmodells eine Temperatur-Zeit-Kurve entwi-

    ckelt, mit der die thermische Beaufschlagung vertikaler Bauteile infolge eines Zug-

    brands unter bestimmten Voraussetzungen objektübergreifend beschrieben werden

    kann.

    Die Temperatur-Zeit-Kurve kann als Eingangswert für eine zweidimensionale FEM-

    Simulation zur Bestimmung der Bauteiltemperaturen im Querschnitt verwendet werden.

    Schlagwörter: Brandsicherheit, Ingenieurmethoden, Brandsimulation, Bemessungs-

    brand, Personenverkehrsanlagen, CFD, FEM, Eurocode

  • Danksagung 3

    Danksagung

    Die vorliegende Arbeit entstand hauptsächlich während meiner Tätigkeit als wissen-

    schaftlicher Mitarbeiter im Lehr- und Forschungsgebiet Baustofftechnologie und Brand-

    schutz der Bergischen Universität Wuppertal und während der Zuarbeit für den von der

    Deutschen Bahn eingesetzten Sachverständigenausschuss für die Aufstellung eines Be-

    messungsbrandes für den gemischten Reisezugverkehr.

    Mein besonderer Dank gilt Herrn Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. W. Klingsch für die Anre-

    gung zur Beschäftigung mit der Thematik zur thermischen Beaufschlagung tragender

    Bauteile in Personenverkehrsanlagen und für viele wichtige, orientierende Hinweise zur

    Bearbeitung der im Zuge der Arbeit aufgetretenen Fragen. Allgemein möchte ich ihm

    außerdem für die über Jahre hinweg vollzogene Heranführung an die wichtigen Sonder-

    fragen des ganzheitlichen Brandschutzes und die Förderung meiner Beschäftigung mit

    Ingenieurmethoden und computergestützten Verfahren danken. Dies hat auch aufgrund

    der stetigen und vollumfänglichen Unterstützung durch ihn zu einer praxisgerechten

    Anwendung des hierdurch erlangten Fachwissens geführt.

    Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Martin Mensinger danke ich für die Über-

    nahme des Korreferates und für die allgemeinen Anregungen zur sicherheitstheoreti-

    schen Auslegung der Ergebnisse in Verbindung mit den Eurocodes.

    Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Janoske danke ich für die kritische Sichtung der Doku-

    mentation zu den Feldmodelluntersuchungen und für allgemeine Hinweise zur zweck-

    mäßigen Auswahl von Programmen zur Auswertung und Darstellung der Daten.

    Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Steffen Anders und den Mitarbeitern und Kollegen des Lehr-

    stuhls für Werkstoffe im Bauwesen sei für den nicht selten benötigten guten Rat ge-

    dankt.

  • Inhaltsverzeichnis 4

    Inhaltsverzeichnis

    Kurzfassung ..................................................................................................................... 2

    Danksagung ..................................................................................................................... 3

    Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 4

    Abbildungsverzeichnis .................................................................................................... 7

    Tabellenverzeichnis ...................................................................................................... 11

    Symbolverzeichnis ........................................................................................................ 12

    Vorwort .......................................................................................................................... 19

    1 Gliederung der Arbeit ...................................................................................... 20

    2 Einführung ........................................................................................................ 21

    2.1 Brandeinwirkungen auf Bauteile im Brandfall .................................................... 21

    2.2 Bauteiltemperaturen im Brandfall ....................................................................... 22

    2.3 Thermische Einwirkungen ................................................................................... 25

    2.3.1 Allgemein ............................................................................................................ 25

    2.3.1.1 Konvektion und Wärmeleitung in der Gasphase ................................................. 25

    2.3.1.2 Strahlung .............................................................................................................. 29

    2.3.2 Bauteile in Personenverkehrsanlagen .................................................................. 29

    2.3.2.1 Szenarien der thermischen Bauteilbelastung nach Wilk 2012 ............................ 29

    2.3.2.2 Bemessungsbrandszenario „gemischter Reisezugverkehr“ ................................. 31

    2.3.3 Konzept der beaufschlagungsäquivalenten Temperatur ...................................... 34

    2.3.3.1 Arbeit von Wickström ......................................................................................... 34

    2.3.3.2 Beaufschlagungsäquivalente Temperatur ............................................................ 37

    3 Umsetzung in NIST FDS v5.4 .......................................................................... 40

    3.1 Brandsimulation mit NIST FDS v5.4 .................................................................. 40

    3.1.1 Bewegungsgleichungen für die laminare auftriebsinduzierte Strömung niedriger MACH-Zahl ........................................................................................ 40

    3.1.2 Zusatzmodelle ...................................................................................................... 44

    3.1.2.1 Turbulenzmodellierung ....................................................................................... 44

    3.1.2.2 Verbrennungsmodellierung ................................................................................. 47

    3.1.2.3 Grenzschichtmodellierung ................................................................................... 50

    3.1.2.4 Strahlungsmodellierung ....................................................................................... 52

    3.1.3 Numerik ............................................................................................................... 54

    3.1.3.1 Zeitliche Inkrementierung ................................................................................... 54

    3.1.3.2 Räumliche Diskretisierung .................................................................................. 55

  • Inhaltsverzeichnis 5

    3.2 Implementierung der beaufschlagungsäquivalenten Temperatur in NIST

    FDS v5.4 ............................................................................................................. 56

    3.2.1 Quellterme ........................................................................................................... 56

    3.2.2 Verifikation .......................................................................................................... 59

    3.2.2.1 Allgemeines ......................................................................................................... 59

    3.2.2.2 Beispiel 1: Erhaltung des Strahlungswärmestroms ............................................. 60

    3.2.2.3 Beispiel 2: Sichtfaktor finiter Flächen im Raum ................................................. 61

    3.2.2.4 Beispiel 3: Konfigurationsfaktor ......................................................................... 64

    3.2.2.5 Beispiel 4: Konfigurationsfaktor und Abschattungseffekt .................................. 67

    3.2.2.6 Beispiel 5: Beaufschlagungsäquivalente Temperatur ......................................... 77

    3.2.3 Validierung .......................................................................................................... 80

    3.2.3.1 Auszug aus der Fachliteratur ............................................................................... 80

    3.2.3.2 Nachrechnung eines Versuchs nach Lee (2007) ................................................. 81

    4 Modellierung des Waggonbrands ...............................................