Zum Verhalten von Tragwerken bei natrlicher Brandeinwirkung unter Bercksichtigung technischer Massnahmen

Jochen Klein

Institut fr Baustatik und Konstruktion Eidgenssische Technische Hochschule Zrich

Zrich Februar 2009

Vorwort

Der zeitliche Temperaturverlauf whrend eines Brandes in einem Gebude ist eine wichtige Grundlage fr die Beurteilung des Tragwerkverhaltens. Die physikalischen Phnomene whrend des Brandes sind komplex, daher mssen fr die Brandbeanspruchung vereinfachte Modelle herangezogen werden. Die heute gngigste Methode ist die Verwendung einer nominellen ZeitTemperaturkurve z.B. der ISONormbrandkurve, welche einen einfachen Zusammenhang zwischen der Temperatur der Heissgasschicht im Brandraum und der Zeit herstellt. Einziger Eingangsparameter ist die Zeit, so dass die ISONormbrandkurve weder die Entwicklungs noch die Abkhlphase bercksichtigen kann. Realistischere Brandmodelle basieren auf sogenannten Naturbrandkurven, welche die wichtigsten EinflussgrssenaufdieTemperaturentwicklungbercksichtigen. Der vorliegende als Dissertation verfasste Forschungsbericht zeigt die Entwicklung einerModellbrandkurvefrIndustriebautenundderenAnwendungaufdieBemessung von Stahlbauteilen im Brandfall. In einem 1. Teil werden Daten einer umfangreichen Brandlasterhebung in Industrie und Gewerbebetrieben ausgewertet. Analysiert werden insbesondere die Menge und Zusammensetzung der Brandlasten fr die NutzungsartenLagerundProduktionvonverschiedenenNutzungsklassen(Branchen). Zudem werden fr die Temperaturentwicklung wichtige Grundlagen erfasst, wie die thermischen Eigenschaften der den Brandraum umfassenden Bauteile, sowie die Ventilationsffnungen. In einem 2. Teil wird eine vereinfachte Methode zur Bestimmung des ZeitTemperaturverlaufes angegeben und darauf aufbauend die BemessungvonStahltragwerkendargestellt. An dieser Stelle mchte ich Herrn Jochen Klein fr seinen grossen Einsatz bei der Planung, Durchfhrung und Auswertung der Brandlasterhebung, der Entwicklung der Modellbrandkurven und ihrerAnwendungaufStahltragwerke herzlich danken. Er hat zudem ein Bemessungstool entwickelt, welches die praktische Anwendung der Modellbrandkurve fr die Bemessung von Stahlbauteilen erlaubt. Bei den Brandlasterhebungen wurde er insbesondere untersttzt durch Dr. J. Khler aus der Gruppe von Kollege Prof. Dr. Michael Faber und der VKF, welche die Brandlasterhebung begleitet und finanziert hat. Aufbauend auf den Ergebnissen der Brandlasterhebungen hat die VKF in einer Arbeitsgruppe unter Leitung von Herrn J.Neeracher die Brandschutzerluterung Bewertung Brand abschnittsgrssen entwickelt und herausgegeben. Allen Beteiligten mchte ich an dieserStellefrdiegrossehervorragendeArbeitherzlichdanken. Zrich,Februar2009 Prof.Dr.MarioFontana

InhaltsverzeichnisKURZFASSUNG ABSTRACT EINLEITUNG 1 3 5

1.1Problemstellung5 1.2Zielsetzungundbersicht.7 1.3Abgrenzung..7 GRUNDLAGENZUBRNDENINGESCHLOSSENENRUMEN 9

2.1AllgemeinesAblaufvonnatrlichenBrnden.................................................................... 9 2.2FlammenbildungundBerechnungdesFeuerplumes........................................................12 2.3EigenschaftenundZusammenhngederBrandeinflussgrssen.......................................20 2.4ZusammenfassungundSchlussfolgerungen......................................................................29 ERHEBUNGVONBRANDLASTDATENININDUSTRIEUNDGEWERBEBETRIEBEN 31

3.1Allgemeines.......................................................................................................................31 3.2AusgangslageundAnnahmenfrdieBrandlasterhebungen.............................................32 3.3ErfassungderDatenundelektronischeAufbereitung.......................................................35 3.4ZusammenfassungundSchlussfolgerung..........................................................................37 STATISTISCHEAUSWERTUNGDERBRANDLASTAUFNAHMEN 39

4.1HufigkeitsverteilungdergeometrischenundbrandlastspezifischenParameter.............39 4.2BrandlastdichtenfrverschiedeneNutzungsklassen........................................................45 4.3ZusammenfassungundSchlussfolgerungen......................................................................52 SIMULATIONVONZEITTEMPERATURKURVENFRVERSCHIEDENENUTZUNGSKLASSEN ININDUSTRIEBAUTEN 53 5.1GrundlagenzurBrandsimulation(ModellierungvonBrnden).........................................53 5.2SimulationvonZeitTemperaturkurvenfrdieverschiedenenNutzungsklassen........62 5.3ZusammenfassungundSchlussfolgerung..........................................................................70

v

Inhaltsverzeichnis KONZEPTZURVEREINFACHTENERMITTLUNGVONZEITTEMPERATURKURVENFR INDUSTRIEUNDGEWERBEBAUTEN

71

6.1Allgemeines........................................................................................................................71 6.2EnergiefreisetzungimRaum..............................................................................................71 6.3ErmittlungvonReferenztemperaturenTrefzurBerechnungdermaximalen TemperaturTmaximRaum...................................................................... 76 6.4BercksichtigungvonDachffnungen.............................................................................86 6.5HinweisezurAnwendungderTabellenzurErmittlungderReferenztemperaturTref.....95 6.6ErmittlungdermaximalenTemperatur.............................................................................96 6.7Entwicklungsphase.............................................................................................................97 6.8Vollbrandphase................................................................................................................102 6.9Abkhlphase....................................................................................................................105 6.10FlussdiagrammezurBerechnungderZeitTemperaturkurve........................................107 6.11Rechenbeispiel...............................................................................................................110 6.12ZusammenfassungundSchlussfolgerung......................................................................117 VALIDIERUNGDERNEUENMODELLBRANDKURVEUNDVERGLEICHMITBEKANNTEN PARAMETERKURVEN

119

7.1Allgemeines......................................................................................................................119 7.2VerwendeteParameterkurven........................................................................................119 7.3BeschreibungderverwendetenBrandversuche..............................................................119 7.4ValidierunganhandderBrandversuche........................................................................... 24 1 7.5ValidierungfrRumemitDachffnungenmitOzone....................................................131 7.6ZusammenfassungundSchlussfolgerungen....................................................................133 BEMESSUNGVONSTAHLBAUTEILENUNTERVERWENDUNGDER MODELLBRANDKURVE

135

8.1Allgemeines......................................................................................................................135 8.2BemessungderFeuerwiderstandsdauervonStahlbauteilenunter NaturbrandeinwirkungnachEn199312........................................................................143 8.3BetrachtungzumglobalenBrandsicherheitskonzeptesunterBercksichtigung derModellbrandkurve......................................................................................................150 8.4ZusammenfassungundSchlussfolgerung........................................................................164 ZUSAMMENFASSUNGUNDAUSBLICK 167

9.1Zusammenfassung...........................................................................................................167 9.2Ausblick............................................................................................................................169

vi

Inhaltsverzeichnis

ANHANGZUSAMMENSTELLUNGDERWICHTIGSTENKENNGRSSENAUSDEN BRANDLASTAUFNAHMEN

A1

A.1ErmittelteWertedereinzelnenRume...........................................................................A1 A.2StatistischeKenngrssenderunterschiedlichenNutzungsklassen..................................A8 A.3LognormalverteilungenfrdieBrandlastdichtenjeNutzungsklasse.A11 A.4ZusammenstellungbrandspezifischerParameterfrunterschiedliche NutzungsklassenimIndustriebauA16 ERGEBNISSEDERBRANDSIMULATIONENMITOZONE B19

B.1ZeitTemperaturkurvenderLagerrumejeNutzungsklasse.B19 B.2ZeitTemperaturkurvenderProduktionsrumejeNutzungsklasse...............................B22 VERZEICHNISSE C25

C.1LiteraturverzeichnisC25 C.2Bezeichnungen...............................................................................................................C31

vii

Inhaltsverzeichnis

viii

KurzfassungBrnde in Gebuden sind auergewhnliche Ereignisse, die selten oder nie whrend derLebensdauereinesGebudeseintreten.KommtesaberzueinemBrand,sohatdiesgro eKonsequenzensowohlfrdieSicherheitvonPersonenalsauchfinanzielleFolgendurch Schden am Gebude, dem Mobiliar und infolge Betriebsunterbrechung. Die Brandbemes sung ist daher fr die sichere und wirtschaftliche Konstruktion von Bauten von groer Be deutung.DabeimssennebeneinerbrandgerechtenkonstruktivenAusbildungrealittsnahe Berechnungsmodelle fr die Bemessung von Bauteilen im Brandfall entwickelt und ange wendetwerden.DievorliegendeArbeitkonzentriertsichdabeiinsbesondereaufdasVerhal tenvonStahlbauteilen. DieKenntnisdeszeitlichenTemperaturverlaufesineinemGebudewhrendeinesFeuersist einewichtigeGrundlagefrdieAnalysedesVerhaltensderTragwerke.UmdieBrandbean spruchungbeiderBemessungzubercksichtigen,mssenvereinfachteModelleherangezo gen werden. Eine gngige Methode ist die Verwendung von nominellen Zeit Temperaturkurven(z.B.ISONormbrandkurve),welcheeineneinfachenZusammenhangzwi schenderTemperaturderHeigasschichtimBrandraumundderZeitherstellen.Siesimulie ren nherungsweise einen vollentwickelten Brand ohne Bercksichtigung einer Entwick lungs oder Abkhlphase. Realistischere Brandmodelle basieren auf sogenannten Natur brandkurven, welche die wichtigsten Parameter fr die Temperaturentwicklung unter BrandeinwirkungineinemRaumbercksichtigenundsowohleineBrandentwicklungsphase, alsaucheineAbkhlphaseaufweisen. ZieldieserForschungsarbeitistdieEntwicklungeinerModellbrandkurvefrIndustriebauten undderenAnwendungaufdieBemessungvonStahlbauteilenimBrandfall.DerTemperatur verlaufinnerhalbderHeigasschichtistvondengeometrischenGegebenheitenderBrand abschnitte,vondenthermischenEigenschaftenderUmfassungsbauteilederBrandabschnit teunddendarinbefindlichenBrandlastenabhngig.DaherbeinhaltetderersteTeildieser Forschungsarbeit die Zusammenstellung und Auswertung von Daten umfangreicher Brand lasterhebungeninIndustrieundGewerbebetrieben(Kapitel3).DieForschungsarbeitanaly siertdabeiinsbesonderedieMengeundZusammensetzungderBrandlasteninAbhngigkeit zur Nutzungsart (Lager oder Produktion) und Nutzungsklasse (Branche) der verschiedenen RumeundGebude(Kapitel4). Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Simulation von Brandszenarien auf der Basis eines ZonenmodellsunterBercksichtigungderErkenntnissedeserstenTeils.Aufbauendaufdes sen Ergebnissen und physikalischer Gesetzmigkeiten der Natur des Feuers wird ein Be rechnungsansatz dargestellt, welcher es erlaubt, den zeitlichen Temperaturverlauf unter Brandeinwirkung als Naturbrand abzubilden (Kapitel 5 und 6). Anschlieend wird das Be rechnungsverfahren an Temperaturmessungen whrend gromastblichen Brandversu chenvalidiert. 1

Kurzfassung DieForschungsarbeitschlietmiteinemKapitelzurEinbeziehungderModellbrandkurvebei derBemessungvonStahltragwerkenimBrandfall. Die in dieser Forschungsarbeit entwickelten und dargestellten Berechnungsverfahren wur denzurProgrammierungeinesBemessungstoolsverwendet.Dieseserlaubtdiepraxistaugli cheAnwendungderModellbrandkurvefrdieBemessungvonStahlbauteilenunterBrand einwirkung.

2

AbstractFiresinbuildingsareaccidentaleventswhichrarelyorneveroccurduringthelifespanofa building.However,inthecaseofafullydevelopedfire,thereareseveralconsequencesfor the safety of people as well as financial consequences due to damage to the building, the interior and business interruption. Hence, structural design for fire safety is important for safeandeconomicconstructionofbuildings.Inadditiontofiresafestructuraldetailing,real istic fire models for the design of structures must be developed and applied. The present thesisconsidersinparticularthebehaviourofsteelconstruction. Realisticpredictionofthetemperaturedevelopmentinabuildingduringafireisanimpor tantprerequisitefortheanalysisofthebehaviourofthestructures.Whenconsideringfire actioninstructuraldesign,usuallysimplifiedmodelsareused.Acommonmethodistheuse ofnominaltimetemperaturecurves(e.g.,ISOstandardfirecurve)whichproducesasimple relation between the temperature of the hot gas layer in the fire compartment and time. Theyapproximatelyrepresentafullydevelopedfirewithoutconsiderationofthefiregrowth orthedecayphases.Morerealisticfiremodelsarebasedonnaturalfirecurveswhichcon sider the most important parameters for the temperature development under fire action, includingafiregrowthandafiredecayphase. The goal of this research project is the development of a model fire curve for industrial buildingsanditsapplicationtothestructuraldesignofsteelstructuressubjectedtofire.The temperature within the hot gas layer depends on the dimension of the compartment, the ventilation,thethermalpropertiesoftheenclosures,andthefireloadslocatedwithinthe compartment.Hence,thefirstpartofthisresearchprojectdescribescollectionandanalysis of data during an extensive fire load survey in industrial buildings (chapter 3). The thesis analyses in particular the amount and composition of fire loads in function of the type of utilisation (storage or production) and the industrial sector of the different buildings sur veyed(chapter4). The second part of the work includes the simulation of fire scenarios using a zone model whichtakesintoaccounttheresultsofthefireloadsurvey.Basedontheresultsofthesimu lationsandphysicalprinciplesofthefireacalculationmethodisdeveloped,whichallowsto calculatethetimetemperaturerelationshipincaseoffire(chapters5and6).Subsequently, themethodisvalidatedagainsttemperaturemeasurementsduringlargescalefiretests. Theresearchprojectconcludesbyincorporatingthemodelfirecurveinthedesignofsteel structuressubjectedtofire.Thedesignmodeldevelopedinthisresearchprojectwasused forthedevelopmentofacalculationtool.Thistoolpermitsaneasyandpracticalapplication ofthemodelfirecurveinthedesignofsteelstructuressubjectedtofire. 3

Abstract

4

1Einleitung1.1 ProblemstellungBrndeinGebudenstelleneinepotentielleGefahrenquellefrdenMenschendarundver ursachenerheblichefinanzielleKostenbeiGebudestruktur,Gebudeinhaltoderbeimgli chenBetriebsausfllen.DahersindBauwerkebereitsimProjektierungsstadiumsozukonzi pieren, dass die Aspekte des baulichen, technischen und organisatorischen Brandschutzes bercksichtigt werden und dadurch im Brandfall fr Personen und Sachwerte optimale Si cherheitgewhrleistetwerdenkann. DieKenntnisdeszeitlichenTemperaturverlaufesineinemGebudewhrendeinesFeuersist fr die Beurteilung des Tragwerkverhaltens von elementarer Bedeutung. Die Dynamik des Feuers,dessenVerbrennungsprozesse,dieBrandentwicklungunddieBrandausbreitungbil den die Grundlage fr die Bestimmung des Temperaturverlaufes. Aufbauend auf diesem GrundlagenwissenundzustzlichenBrandlasterhebungen,werdenindiesemForschungspro jekt analytische Berechnungsmodelle zur Modellierung des zeitlichen Temperaturverlaufs entwickeltundfrdieBeurteilungvonStahltragwerkenangewandt. Die Modellierung von natrlichen Brnden wurde von verschiedenen Forschungsgruppen mit jeweils spezifischer Schwerpunktsetzung untersucht (siehe dazu z.B. [14], [79], [108]). DaraussindBerechnungsmodellemitunterschiedlichemDetaillierungsgradentstanden.Die serreichtvoneinfachenparametrisiertenBrnden[31],berZonenmodelle[18]bishinzu FluidDynamicModellen[43],[67]. DiezumTeilhochkomplexenFluidDynamicProgrammeermglichenes,dasEntstehenvon FeuerundRauch,derenAusbreitungdurchgegebeneRumeeinesGebudes,sowiedieEr wrmungunddasmechanischeVerhaltenvonBauteilenundganzenTragstrukturennume risch zu simulieren. Die Anwendung solcher Programme setzt jedoch genaue Kenntnis der Eingangsparameter und deren Auswirkung auf die Berechnung voraus. Der Programmge brauchunddieInterpretationderberechnetenErgebnissesindfreinennichtspezialisier tenTragwerksingenieurzukomplexfrdieAnwendungimRahmenderblichenTragwerks planung. UmdieBrandeinwirkungenpraxisnahbeschreibenzuknnen,werdenalsAlternativeverein fachteModelleangeboten.SiedienenzurErmittlungvonZeitTemperaturverlufenundge

5

1Einleitung beneinenaufdasWesentlichereduziertenZusammenhangzwischenderHeigastempera turimBrandraumundderZeitwieder.GrundstzlichwirddabeizwischennominellenZeit temperaturkurven und Parameterkurven (Naturbrandmodellen) unterschieden (vgl. Kapitel 5).NominelleZeitTemperaturkurvensindreinmathematischeFormulierungenundberck sichtigen keine Eingangsparameter. Die bekannteste nominelle Kurve ist die sogenannte Einheitstemperaturkurve(ETK)nachISO834[51](ISONormbrand).UnterVernachlssigung derEntstehungsphaseeinesBrandesundseinerAbkhlphasesollsieinetwadenTempera turverlaufeinesvollentwickeltenBrandeswiedergeben.EineAussageberdieBranddauer oderdieverschiedenenBrandphasenkanndarausnichtabgeleitetwerden.InAbbildung11 wirddieEinheitstemperaturkurvevergleichendmitausBrandversuchenermitteltenKurven hinterlegt.Eszeigtsich,dassderTemperaturverlaufvonnatrlichablaufendenBrndenmit der ETK nur begrenzt abgebildet werden kann. Trotzdem leistet sie fr die vergleichende BeurteilungvonraumabschlieendenundtragendenBauteilenseitJahrenwertvolleDienste. FrdiedirekteBeurteilungdesVerhaltensvonBauteilenundTragwerkenodergarderDauer der sicheren Begehbarkeit von Fluchtwegen whrend eines wirklichen Gebudebrandes ist sienichtgeeignet.1300 1200 1100 1000

ISONormbrand

Temperatur[C]

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 30 60 90 120 150 180

Zeit[min]Abbildung11VergleichzwischenVersuchswertenaus20BrandversuchenundderETK

Parameterkurven bercksichtigen einige fr den Temperaturverlauf wichtige Eingangsgrs sen(z.B.Raumgeometrie,Ventilationsbedingungen,BrandlastundthermischeEigenschaften derUmgebungsbauteile).SiesindsomitdieeinfachstenNaturbrandmodelle.NebendenPa rameterkurven werden auch komplexe Computerprogramme eingesetzt, welche die Aus breitungvonRauchundGasensimulierenknnen.Diegegenwrtigamhufigstengenutzten Bemessungskonzepte fr den Lastfall Brand sttzen sich meist auf die Einheitstemperatur kurve. Weil damit eine wirklichkeitsnahe Beurteilung des Tragwerkverhaltens im Brandfall jedochnichtmglichist,wirdeinhomogenesSicherheitsniveauundeineffizienterMittelein satz nicht erreicht. Mit Hilfe der Tragwerksbemessung unter Verwendung realittsnaher Brandeinwirkungen (Naturbrnden) und unter Bercksichtigung von technischen Manah mengelingteswirtschaftlicherzukonstruierenundimBrandfalldieRisikenbezglicheines Tragwerkversagens realittsnaher zu erfassen. Dadurch werden Tragwerke im Brandfall si chererundwirtschaftlicher. 6

1Einleitung

1.2 ZielsetzungundbersichtZiel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer einfach anwendbaren Modellbrand kurve, welche die wichtigsten Einflussparameter auf den Temperaturverlauf bercksichtigt undfrdierisikogerechteBemessungvonTragwerkenimIndustriebaugeeignetist. DieBasisfrdieForschungsarbeitbildendiedurchdieETHZrich(IBK,GruppeFontanaund Gruppe Faber) im Auftrag der Vereinigung kantonaler Feuerversicherungen (VKF) im Zeit raumvonAugustbisDezember2005durchgefhrtenBrandlasterhebungenin95Industrie undGewerbebetrieben.UnterVerwendungdieserDatenwurdenumfangreicheBrandsimu lationen mit einem Zonenmodell durchgefhrt. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass sich auch innerhalb der gleichen Nutzungsklasse groe Unterschiede im Brandverlauf zwischen unterschiedlichen Industriegebuden ergeben. Die ursprngliche Absicht jedem Industriegebude einen Brandverlauf aus einem Katalog von einigen wenigen typischen Brandverlufenzuordnenzuknnenmusstedaheraufgegebenwerden.Stattdessenwurde auf der Grundlage von den Ergebnissen der Brandsimulationen ein vereinfachtes Berech nungsverfahrenzurBestimmungvonModellbrandkurvenentwickelt. DievorliegendeArbeitfolgtdieserdreiteiligenGliederungderForschungsphasenimeigenen strukturellen Aufbau. Der erste Teil erlutert Durchfhrung und Auswertung der Brandlas terhebungen.EswirdzunchstdasprinzipielleVorgehenbeiderBrandlasterhebungunddie elektronischeErfassungderDatendargestellt(Kapitel3).DiesegewonnenenDatenwerden imFolgendenstatistischausgewertet,dieErgebnisseanalysiertundbewertet(vgl.Kapitel4 undAnhangA). ImzweitenTeilderArbeitwerdenmitHilfederDatenausdenBrandlastaufnahmennatrli che Brnde in Industriebauten mittels Zonenmodell simuliert und die Ergebnisse der Zeit Temperaturverlufezusammengestellt(vgl.Kapitel5undAnhangB).Ausgehendvonweite ren Simulationen mit unterschiedlichen Parameterwerten und unter Beachtung physikali scherGesetzmigkeitenwurdeeinvereinfachtesBerechnungsverfahrenzurErmittlungvon ModellbrandkurvenfrIndustriebautenhergeleitetunderlutert(Kapitel6).DieValidierung desVerfahrenserfolgtdarananschlieendmitHilfederErgebnissevoninderLiteraturbe schriebenenGrobrandversuchen(vgl.Kapitel7). DerdritteTeilderArbeitbefasstsichmiteinemaufdieModellbrandkurveaufbauendenBe messungskonzeptfrungeschtzteundgeschtzteStahlbauteile.DabeiwerdendieBemes sung von Stahlbauteilen und der Einbezug von technischen und organisatorischen Schutz manahmenerlutertundaufdieEinbindungderModellbrandkurveindasSicherheitskon zeptderTragwerksnormenbeiderBemessungeingegangen.

1.3 AbgrenzungDieseArbeitkonzentriertsichaufdieTemperaturentwicklungimBrandfallalsGrundlagefr die Beurteilung des Verhaltens von Tragwerken. Neben der Temperaturentwicklung im Brandraum spielt fr den Personenschutz insbesondere die Rauchentwicklung und die RauchausbreitungeinewichtigeRolle.DieRauchentwicklungnimmtjedochkeinenunmittel barenEinflussaufdieTragwerksbemessungimBrandfall.DaherwirddieRauchentwicklung indieserArbeitnichtbehandelt. 7

1Einleitung BeiderBestimmungderFeuerwiderstandsdauerkonzentriertsichdieseArbeitimWesentli chenaufStahlbauteile.DieModellbrandkurvenlassensichaberauchaufandereKonstrukti onsweisenanwenden.BetrachtungendazusindabernichtGegenstanddieserArbeit. Die Vergleichsrechnung fr die ZeitTemperaturverlufe unter Brandeinwirkung bzw. die ParameterstudienzuverschiedenenEinflussgrenwurdenmitdemZonenprogrammOZone [18]durchgefhrt.DasProgrammwurdeimRahmenverschiedenerArbeitenvalidiert([18], [19],[77]).AufweitereeigeneValidierungenwurdeverzichtet.

8

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen2.1 AllgemeinesAblaufvonnatrlichenBrndenEinFeuerkannverschiedeneFormenannehmen,denenallenjedocheinexothermer,chemi scher Prozess zwischen den brennbaren Materialien und dem Sauerstoff der Luft voraus geht. Ein Brand wird in[83] definiert als ein Feuer, das auf keinem bestimmungsmigen Brandherd entstanden ist oder sich ber diesen hinaus ausbreitet und Sachschaden verur sacht hat, wobei Feuer als uere Erscheinungsform der Verbrennung definiert ist. Die EntwicklungundderVerlaufeinesBrandeshngennebenderZndquelle,insbesonderevon der Zusammensetzung und Verteilung der brennbaren Materialien, den Ventilationsbedin gungen des betroffenen Raumes, den thermischen Eigenschaften der Umgebungsbauteile, denLscheinrichtungenunddenLschmanahmenab. EinBrandineinemGebudekanneineneinzelnenRaum(z.B.WohnoderBroraum)aber aucheingesamtesGebude(z.B.Industriehalle)erfassen.Entscheidenddabeisinddieden BrandbegrenzendenUmgebungsbauteile.SiebestimmendieFlche,aufdersichdasFeuer ausbreitenkann.NebenderGrederFlchesindweitereFaktoren,wiedieAusbreitungs geschwindigkeitunddieDauerdesBrandes,welchedieHheunddenzeitlichenVerlaufder Temperaturbeeinflussen,vonentscheidenderBedeutung. EinBrandwirdimWesentlichendurch3Brandphasengekennzeichnet: DieEntzndungundanschlieendenEntwicklungsphase,beiderderBrandlokalbe grenztbleibtundgeringebismittlereTemperaturenentstehen. Die Vollbrandphase, bei der alle sich im Raum befindlichen brennbaren Materialien amFeuerbeteiligtsind,wobeisichderBrandberdiegesamteFlcheausgebreitet hat. In dieser Phase werden die hchsten Temperaturen und Energiefreisetzungen erreicht. DieAbkhlphase,beiderdieTemperatursinktundderBrandschlielicherlischt.

Abbildung21stelltdenTemperaturverlaufeinesnatrlichenBrandverlaufesmitseinenver schiedenenBrandphasendar.

9

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen

Temperatur[C]

Entwicklungs

Vollbrand

Abkhlphase

ggf.Flashover

Entzndung Schwelbrand tVB tAB tEB Zeit[min]

Abbildung21SchematischeDarstellungeinesnatrlichenBrandverlaufes

TypischeWertefrdenTemperaturbzw.EnergieverlaufinnerhalbeinesnatrlichenBran des ohne Lscheinwirkung fr die verschiedenen Phasen knnen der Tabelle 21 entnom menwerden.Tabelle21WertefrTemperaturundEnergieverlaufeinesnatrlichenFeuers[83]

Brandphase Zndphase Schwelbrandphase Entwicklungsphase Vollbrandphase Abklingphase

Temperaturintervall[C] 2050 50150 150500 5001250 125020

Energiefreisetzung[kW/m2] L)nach[54]folgendeBeziehungen:

L = 0.235 Q 1.02 D i i 1 3 5

i

2

5

[m]

(2.13) (2.14)

m p = 0.071 Q c ( z z0 ) 3 1.92 103 Qc

[kg/s]

HeskestadunterscheidetweiterhindenMassentransportinFlammenhheundinnerhalbder Flamme(zL):m p = 0.0056 Q c i i

z L

[kg/s]

(2.15)

mit:

Qc

i

konvektiveBrandleistunginkWi

Die konvektive Brandleistung Q c liegt dabei in beiden Fllen je nach Brandgut und Flam menbildungimBereichzwischen 0.6 Q und 0.8 Q . Die Temperaturerhhung innerhalb der Plumeachse im Verlauf ber der Flamme betrgt dabei: T T = 9.1 2 0 2 g c p 05

i

i

3 i 23 5 Qc ( z z0 ) 3

1

[K]

(2.16)

DurchEinsetzenderParameterderUmgebungsluft(vgl.Abschnitt2.2.3.1)folgt: i 25 3 Q T = 25 c ( z z0 )

[K]

(2.17)

2.2.3.3 McCaffreyPlume McCaffreyverwendetexperimentelleDatenzurHerleitungeinerPlumeformelunddenBe ziehungen zwischen dem steigenden Massenstrom und der Temperatur. Fr den Massen transport werden dabei verschiedene Grenzen entsprechend der Flammbildung bzw. dem Flammenbereich(vgl.Abbildung24)unterschieden: StationreFlamme:

z/Q 0.566

i

2

5

0.08

i i z m p = 0.0109644 Q 2 i Q 5

[kg/s] i 2 5

(2.18)

IntermittierendeFlamme:

0.08 < z / Q

0.20

17

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen

i i z m p = 0.00249994 Q 2 i Q 5 Auftriebsplume:

0.892247

[kg/s] 2

(2.19)

z/Q 1.895

i

5

> 0.20

i i z m p = 0.1255552 Q 2 i Q 5

[kg/s]

(2.20)

Der Temperaturanstieg im Bereich der Flammen und Plumeachse lsst sich nach [54] wie folgtberechnen: T = 0.9 2 g 2

z 2 i 5 Q

2 1

T0

[K]

(2.21)

DieKonstantenundwerdendabeiinAbhngigkeitvomFlammbereichwieinTabelle22 dargestelltfestgelegt.Tabelle22DefinitionderKonstanten undzurBerechnungdesTemperaturanstiegs[54]

Flammenbereich Stationr Intermettierend Auftriebsplume

z / Q 0.4 [m / kW 0.4 ]

i

1/2 0 1/3

6.8[m1/2/s] 1.9[m/(kW1/5s)] 1.1[m4/3/(kW1/3s)]

0.20

2.2.3.4 ThomasPlume DiebishervorgestelltenMethodenzurBerechnungdesFeuerplumeswurdenaufderGrund lagevonExperimentenentwickelt,beidenendieFlammenhhenichtwesentlichkleinerals der Brandherddurchmesser ist. Bei Brnden kann jedoch der Brandherddurchmesser auch greralsdieFlammenhhesein(vgl.Abbildung27).

Abbildung27DarstellungdesThomasPlumesaus[54]

18

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen Thomaset.al.fandenheraus,dassimBereichderkontinuierlichenFlammeoderinderNhe davonderMassentransportmehroderwenigerunabhngigvonderBrandleistungist,und mehr von dem Brandherdumfang und der Hhe der Feuerquelle z abhngt [54]. Aufgrund dessenwirdderMassenstromdesAuftriebsplumenachThomaswiefolgtdefiniert:

m p = 0.188 U z 2 [kg/s] mit:i

i

3

(2.22)

U

UmfangdesBrandherdes[m]

WirdderBrandherddabeialskreisfrmigangesehen( U = D )ergibtsichdieFormelzu:

m p = 0.59 D z 2

3

[kg/s]

(2.23)

Nach [83] mssen fr die Anwendung der Gleichung 2.22 und 2.23 folgende Nebenbedin gungenbercksichtigtwerden: z < 5 U

200

kW i kW < Q < 750 2 2 m m L < 1.44 D

0.28 0.18).FrdiemaximalenDeckentemperaturenergebensichsomitfolgendeGleichungen: Tmax T0 = 16.9 Q H5 3 2 3 i 2 3

[K]

fr:

rf/H0.18

(2.24)

i 5.38 Q / rf Tmax T0 = H mit: rf H Qi

[K]

fr:

rf/H>0.18

(2.25)

EntfernungvomFeuerplumeinm Deckenhheinm GesamteEnergiefreisetzung(Brandleistung)inkW

2.3 EigenschaftenundZusammenhngederBrandeinflussgren2.3.1 PhysikalischeundchemischeVorgngebeimBrandVerbrennungsprozess BrndesindinihrereinfachstenFormexothermechemischeReaktionenbeidenenEnergie freigesetztwird.BeiderVerbrennungvonorganischenMaterialienwirdunterderOxidation vonKohlenwasserstoffWasserdampfundKohlendioxidgebildet.EinBeispielhierfristder VerbrennungsprozessvonMethan: CH 4 + 2O2 CO2 + 2 H 2O . Der hochkomplexe chemische Prozess wird dabei notwendigerweise vereinfacht beschrie ben,tatschlichlaufenunterschiedlichechemischeProzesse,inAbhngigkeitvonTempera tur,DruckunddenvorhandenenMaterialienab.ZudemliegtbeivielennatrlichenBrnden keinevollstndigeVerbrennungdesBrandgutesvorunddiechemischenProzesseverndern sichwhrenddesBrandverlaufes. Fr die Verbrennung einzelner Stoffe existiert ein jeweils optimales LuftBrennstoff Mengenverhltnis,welchessichberdiechemischeZusammensetzungbestimmenlsst.Die ZuordnungvonLuftzuBrennstoffmengebeschreibtdassogenanntestchiometrischeVer hltnis.EinestchiometrischeVerbrennung,beiderderVerbrennungsvorgangimgenannten Verhltnisabluft,istnurbeivollstndigerDurchmischungvonBrennundSauerstoffmg lich. Dieser Zustand wird bei einem Brand nie erreicht. Der Zusammenhang zwischen Luft undBrennstoffbeistchiometrischemVerhltniswirdnach[28]dabeiwiefolgtdefiniert: 1kgBrennstoff+rkgLuft (1+r)kgVerbrennungsprodukte,worinrdenstchiometrischen Brennstoffbedarffr1kgSauerstoffdarstellt(vgl.Tabelle23). LiegtkeinstchiometrischesVerhltnisvor,gilt: 1kgBrennstoff+

r

kgLuft

r (1 + ) kgVerbrennungsprodukte,wobei einKorrekturfak

tordarstelltundnach[83]wiefolgtdefiniertist:

20

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen

=

m f / mairi i m f / mair stch

i

i

[]

(2.26)

mit:

mf i

i

Brennstoffverbrauching/s

mair Sauerstoffverbrauching/sstch

IndexfrstchiometrischeWerte < 1

Dabeikanngenerellunterschiedenwerdenzwischen: gutventiliertenBrnden: ventilationsgesteuertenBrnden: > 1

Tabelle23KalorischeDatenbrennbarerStoffe,Auszugnach[83]

Material GaseAcetylen Methan Propan Flssigkeiten Benzin Ethanol Hydraulikl Methanol Petroleum Feststoffe Autoreifen Baumwolle Holz Karton,Pappe Leder Papier Zucker Kunststoffe Nylon6.6 Polyester Polyethylen Polystyrol PUhart

HeizwertHU [MJ/kg]48.24 50.04 46.08 42.84 26.64 35.28 19.80 43.56 43.92 15.48 17.28 15.12 19.08 13.68 16.56 29.52 27.36 43.92 39.96 24.12

StchiometrischerLuftbedarfr [kgLuft/kgBrennstoff]13.2 17.2 15.5 13.5 8.9 10.9 6.4 13.6 13.6 4.8 5.2 4.7 5.9 4.2 5.1 10 8.5 15 13.3 7.2

Energie/LuftmengeHair [MJ/kgLuft]3.65 2.91 2.97 3.17 2.99 3.24 3.09 3.20 3.23 3.23 3.32 3.22 3.23 3.26 3.25 2.95 3.22 2.93 3.00 3.35

Zwischen dem stchiometrischen Luftbedarf, der Definition der Energiefreisetzung pro LuftmengeHairunddemHeizwertHUbestehtdesWeiterenfolgenderZusammenhang: HU = H air r mit: HU [MJ/kg] (2.27)

DurchschnittlicherNettoHeizwertinMJ/kg

Hair EnergiefreisetzungprokgLuftinMJ/kgLuft

21

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen Nach Schneider [83] kann die theoretische Energiefreisetzung pro Kilogramm bentigter LuftmengeHairfrdieverschiedenenStoffgruppenwiefolgtabgeschtztwerden: beiGasen: beiFlssigkeiten: beiKunststoffen: beiFeststoffen: 2.88bis3.65 MJ/kgLuft 2.88bis3.24 MJ/kgLuft 2.95bis3.42 MJ/kgLuft 3.24 MJ/kgLuft

2.3.2 Heizwert DieEnergiefreisetzungbeieinemVerbrennungsprozessistinersterLinievondenEigenschaf ten der verbrennenden Materialien (Verbrennungswrme), der Gre des Feuers und der zur Verfgung stehenden Sauerstoffmenge abhngig. Angaben ber die Verbrennungswr mevonverschiedenenStoffenberuhenvorallemaufkalorimetrischenMessungen.DieNet toVerbrennungswrme eines Stoffes wird als dessen Heizwert definiert. Der untere Heiz wertHu (auchalsNettoHeizwertbezeichnet)istdefiniertalsdiebeieinerVerbrennungma ximalnutzbareWrmemenge,bezogenaufdieMengedeseingesetztenBrennstoffs;nichtzu verwechseln mit dem Brennwert (auch als oberer Heizwert bezeichnet). Beim Brennwert wird die Kondensationswrme des bei der Verbrennung gebildeten Wassers, bezogen auf 25C,zumHeizwerthinzugezhlt.AngabenzuHeizwertenvonverschiedenenStoffenfinden sichinderLiteratur,z.B.[9],[26],[31]. 2.3.3 EnergiefreisetzungimRaum EineannherndvollstndigeVerbrennungistnurdannmglich,wenngengendSauerstoff ineinemRaumvorhandenist.SolangediesnichtderFallist,wirddiemaximaleAbbrandrate, und dadurch die maximale Energiefreisetzung im Raum, von der einstrmenden Luft der Ventilationsffnungen bestimmt. Damit stellt der Sauerstoff, der fr eine Verbrennung er forderlich ist, auch eine obere Grenze fr die Energiefreisetzung dar. Hufig wird zur Be stimmungdieserGrenzeaufdievonKawagoe[55]entwickelteGleichungzurckgegriffen:mv = 0.092 AV hV i

[kg/s]

(2.28)

mit:

mv

i

MassestrombeiventilationsgesteuertemBrand SummederFlchenallervertikalenffnungenimRauminm2 DurchschnittlicheffnungshheallervertikalenffnungenimRauminm

AV hV

Die dazu korrespondierende, maximale Energiefreisetzung bei einem ventilationsgesteuer temBrandergibtsichfrdenRaumzu:RHRv = mv H U = 0.092 H U AV hV i

[MW]

(2.29)

mit:

RHRv EnergiefreisetzungbeiventilationsgesteuertemBrandinMW

Die von Kawagoe dargestellt Beziehung wurden anhand von Brandversuchen mit Holz als BrandlastentwickeltundgeltendaherstrenggenommennurfrBrndemitZellulosehnli chenStoffenundkleinereRumemitrechteckigenWandffnungen. 22

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen Drysdale [28] gibt zur Abschtzung der einstrmenden Luftmenge in den Raum folgende Gleichungan:

mair

i

( 0 F ) 0 2 AV hV Cd 0 2 g 3 1 3 3 1 + 0 F C d Durchflusskoeffizient[] DichtederausstrmendenLuftinkg/m3

[kgLuft/s]

(2.30)

mit:

F

dabeikannderTermbeieinemVollbrandnherungsweisemit0.21abgeschtztwerden. Setzt man nun fr die Dichte der Luft p0=1.2 kg/m3, fr die Gravitationskonstante g=9.81 m/s2undfrdenDurchflusskoeffizientenCd=0.7ein,kanndieMassedereinstrmendenLuft nherungsweisewiefolgtdefiniertwerden:

mair 0.52 AV hV

i

[kgLuft/s]

(2.31)

GehtmanvoneinerannherndstchiometrischenVerbrennungimRaumaus,folgtfrden Massetransport:

m 0.52 mv air = AV hV [kg/s] (2.32) r r DabeimssenfrdieverschiedenenbrennbarenMaterialiendiestchiometrischenVerhlt nissedefiniertwerden.WieinAbschnitt2.3.1beschrieben,bestehtzwischendemHeizwert unddemstchiometrischenVerhltniseinesStoffesfolgenderZusammenhang:

i

r=

HU H air

[kgLuft/kgBrennstoff]

(2.33)

FrdieBrandlasteninIndustriebautenkannmitguterNherungfrHaireinWertvon3.24 MJ/kgLuftfestgelegtwerden.UnterdiesenVorgabenergibtsichfrdieEnergiefreisetzung beiventilationsgesteuertenBrndenfolgendeGleichung:i m m RHRv air HU = air HU = mair H air = 0.52 AV hV H air HU r H air i i

RHRv = 1.685 AV hV

[MW]

(2.34)

Quintiere[54]whltfrdieMassenberechnungdereintretendenLufteinenhnlichenAn satz:

mair = 0.5 AV hV [kgLuft/s]

i

(2.35)

23

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen DesWeiterengehterdavonaus,dass1kgSauerstoffbeiderVerbrennungeineEnergievon durchschnittlich13.2MJ(AnsatznachHuggett[50])freisetzt,unddass23%derLuftmasse ausreinemSauerstoffbesteht,wobeidieservollstndigzurVerbrennunggenutztwird.Dar ausergibtsichdiemaximaleEnergiefreisetzungzu:

RHRv = mair 0.23 13.2 = 0.5 AV hV 3.036 RHRv = 1.518 AV hV [MW] (2.36)

i

Generellkannfestgestelltwerden,dassderQuotientaustheoretischhergeleiteterVerbren nungswrme und dem stchiometrischen Luftbedarf nahezu unabhngig von der Art des betrachteten Brandgutes ist. Die maximale Energiefreisetzung, die in einem Raum theore tischmglichwre,istdemzuFolgevonderSauerstoffzufuhrindenRaumabhngig.Wird diese Grenze erreicht, spricht man von einem ventilationsgesteuerten Brand. Bei einem brandlastgesteuertenBrandwirddiemaximaleEnergiefreisetzungberdieBrandlast,deren HeizwertundderGrssederbrennbarenOberflcheberechnet(sieheKapitel5). 2.3.4 BrandlastundBrandlastdichte DieBrandlastinRumenbzw.BrandabschnittenkanndefiniertwerdenalsdieGesamtener gie,dietheoretischbeieinemBrandvonallenbrennbarenMaterialienfreigesetztwird.Sie wirdindenmeistenFlleninderEinheit[MJ]ausgedrcktunderrechnetsichausderSum mederEinzelmassenderbrennbarenStoffeundMaterialienimRaum,multipliziertmitihren unteren Heizwerten. Eine weitere Mglichkeit die Brandlast zu beschreiben ist die Angabe derquivalentenHolzmasseinkg,d.h.dieermittelteSummederBrandlastimRaumin[MJ] wird durch den Heizwert von Holz geteilt. Angaben fr den Heizwert von Holz zur Berech nungdesHolzquivalentsschwankenzwischen17MJ/kg[31]und18.8MJ/kg[28]. HufigwirddieBrandlastalsBrandlastdichte,d.h.inBrandlastproGrundflchedesBrand abschnittes, ausgedrckt. Der Eurocode [31] definiert die charakteristische Brandlast Q fi ,k durch:Q fi , k = M k ,i H U ,i i

[MJ]

(2.37)

mit:

M k ,i istdieMengederbrennbarenStoffeinkg H U ,i istdieNettoVerbrennungswrmeinMJ/kg

i

einmglicherBeiwertzurBercksichtigunggeschtzterBrandlasten

DarausresultiertdiecharakteristischeBrandlastdichte q f ,k :q f ,k = Q fi ,k / A

[MJ/m2]

(2.38)

mit:

A

istdieGrundflchedesBrandabschnittsodereinesBezugsraumesinm2

Q fi ,k istdiecharakteristischeBrandlastinMJ

DieBerechnungderBrandlastwirdu.a.verwendet,umdiethermischenBelastungderKon struktionimBrandfallabschtzenzuknnen.DieBrandbelastungvonGebudenoderRu menzeigtdabeieineAbhngigkeitvonderenNutzung.

24

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen 2.3.5 Wrmebertragung/Wrmetransport WhrendeinesBrandesnimmtdieDickederHeigasschichtimRaumzuunddieTemperatur steigt. Dadurch kommt es zu weiteren Wrmebertragungsprozessen im Raum. Die Hitze wirddurchKonvektionundStrahlungvonderHeigasschichtaufdieWndeundDecke,wel chemitdenheienGaseninKontaktstehen,bertragen.ZudemwirdWrmedurchStrah lungzumBodenundderklterenSchicht,welchedieHitzeebenfallsbindet,abgegeben.Die BrandlastwirdzustzlichzurHitzeinFolgederFlammenbildungdurchdenWrmetransport ausderHeigasschichterhitzt.DiesfhrtzueinemAnstiegderAbbrandrateundderErwr mungweitererbrennbarerMaterialienimRaum.DiewesentlichenGrundlagendieserWr metransportesollenindiesemAbschnittkurzerlutertwerden. 2.3.5.1 WrmeleitungfesterStoffe(Conduction) FrdieBerechnungderWrmeleitunginfestenStoffenistdieKenntnisverschiedenerMate rialeigenschaften ntig. Dies sind neben der Wrmeleitfhigkeit, die spezifische Wrmeka pazittunddieDichtedesMaterials(vgl.Abbildung29).Wrmebergang Wrmeleitung

TemperaturT

qT2

Ti Ta

i

T1

q

a

, , c

s Wrmedurchgang

BauteildickesAbbildung29WrmedurchgangbeieinemBauteil

Unter der Wrmeleitfhigkeit versteht man den Wrmetransport innerhalb eines Stoffes. Dabei wird die Wrmeinnerhalb eines Krpers von wrmeren Moleklen auf benachbarte kltere Molekle bertragen. Die Wrmeleitfhigkeit wird definiert als die Wrmemenge, dieproZeiteinheitdurch1m2einereinMeterdickenSchichteinesStoffeshindurchgeleitet wird,wennderTemperaturunterschiedzwischendenbeidenOberflcheneinKelvinbetrgt. DiespezifischeWrmekapazittisteinevonderBeschaffenheitdesStoffesabhngigeGr e.SieistdefiniertalsdieWrmemenge,dientigist,umeinKilogrammeinesStoffesum einKelvinzuerwrmen. SteigtdieTemperaturinnerhalbeinesRaumesan,entstehteinTemperaturgefllezwischen der wrmeren Raumluft und den khleren Raumumschlieungsflchen. Die Bauteiloberfl chen innerhalb des Raumes werden dabei erwrmt. Die Geschwindigkeit des Wrmestro mes,derdurchdasBauteilfliet,hngtvonderWrmeleitfhigkeitderverwendetenBau stoffeab.DabeiwerdendieeinzelnenBauteilschichtenerwrmt.DieseEigenschaftwirdim AllgemeinenmitdemsogenanntenWrmeeindringkoeffizientenbeschrieben:

b = c [J/s1/2m2K]

(2.39) 25

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen mit:

c

DichtedesMaterialsinkg/m3 WrmeleitfhigkeitdesMaterialsinW/mK spezifischeWrmekapazittdesMaterialinJ/kgK

Tabelle24PhysikalischeKennwertegngigerStoffevonUmgebungsbauteilen

MaterialBasalt,Granit Betonhohlblockstein Gasbeton0,6 Gipsfaserplatten Gipskartonplatten Gipsputz Granit Holz Holzbeton Holzfaserdmmplatten Holzweichfaserplatte Holzwolleleichtbauplatte Leichtbeton OSBPlatte Sandstein Schwerbeton(unbewehrt) Stahl Stahlbeton Vollgipsplatten Vollziegel Vormauerziegel Ziegelsplittbeton

Rohdichte [kg/m ] 3000 1400 600 1000 900 1200 2800 600 800 190 200 400 1000 800 2400 2400 7800 2500 1000 1800 1800 16003

Wrme spezifische Wrme leitfhigkeit Wrmekapazittc eindringzahlb [W/mK] 3 0.92 0.2 0.27 0.21 0.35 3.5 0.13 0.24 0.045 0.05 0.093 0.49 0.16 2.1 2.1 60 2.1 0.47 0.8 0.81 0.87 [J/kgK] 0.9 0.96 1.05 0.84 0.84 0.92 0.91 2.1 2 2.2 2.2 1.9 1.05 1.8 0.93 0.96 0.4 0.96 0.84 0.92 0.92 0.92 [J/s m K] 2846 1112 355 476 398 622 2986 405 620 137 148 266 717 480 2165 2200 13682 2245 628 1151 1158 11321/2 2

In Rumen mit Umgebungsbauteilen mit kleinen Wrmeeindringkoeffizienten werden (bei gleicherBrandlastundgleichenVentilationsverhltnissen)generellhhereRaumlufttempe raturenerreicht. DieWrmeleitungvonStoffenkannfrdenFall,dasskeinezeitlichennderungenderEin flussgrenundRandbedingungenstattfinden,alsdirektproportionalzudemTemperatur unterschied zwischen der Innen und Auenflche in Abhngigkeit der Wrmeleitfhigkeit derMaterialiendefiniertwerden[16]:ql = dT dx

[W/m2]

(2.40)

mit:

ql

WrmeleitungeinesStoffesinW/m2

2.3.5.2 Konvektion(Wrmestrmung) DieKonvektion(Wrmestrmung),beiderdieWrmedurchstrmendeFlssigkeitenoder Gasetransportiertwird,istmitdemTransportvonTeilchenverknpft,diethermischeEner gie mitfhren. Die konvektive Wrmebertragung ist bei einem Feuer in einem Raum ein wichtigerFaktorbeiderFlammenausbreitungundbeimAuftriebdesRauchesundderhei 26

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen enGasezurDeckeoderdurchFensterffnungen[16].DieErmittlungderWrmestrmung erfolgtimAllgemeinenzwischeneinemFeststoffundderUmgebungsluft,welchedenFest stoff entweder erwrmt oder khlt. Dabei ist bei gegebenen, konstanten Bedingungen der WrmetransportdirektproportionalzuderTemperaturdifferenzdersichberhrendenMa terien.DerWrmebergangerfolgtimmervomwrmerenzumklterenKrper.DerBerech nungderWrmestrmungliegtdersogenannteWrmebergangskoeffizientzugrunde.Dar unter wird die Wrmemenge verstanden, die pro Zeit zwischen einem Quadratmeter Kr peroberflche und der berhrenden Luft ausgetauscht wird, wenn der Temperaturunter schiedzwischenOberflcheundangrenzenderLufteinKelvinbetrgt:

qk = T mit:

[W/m2]

(2.41)

qk T

WrmestrmunginW/m2 WrmebergangskoeffizientinW/m2K TemperaturdifferenzzwischenderOberflcheundderberhrendenLuftinK

Der Wrmebergangskoeffizient ist u.a. abhngig vom Bewegungszustand der Luft und vonderOberflchenbeschaffenheitdervonderLuftumgebenenMaterialien. 2.3.5.3 Wrmestrahlung WrmestrahlungistderTransportvonEnergiedurchelektromagnetischeWellen,diejeder KrperinAbhngigkeitvonseinerTemperaturemittiert.SieistinfolgederhohenTempera turenderentscheidendeFaktorbeiderWrmebertragungderFlammehinzurOberflche derbrennbarenMaterialien,vomheienRauchhinzuObjektendesGebudesundvonei nembrennendenGebudehinzueinemangrenzendenGebude[16].DerWrmestromin folge Strahlung an einem bestimmten Punkt der angestrahlten Flche ist dabei gegeben durch:qse = e Te4

[W/m2]

(2.42)

mit:

e Te

Konfigurationsfaktor[] EmissivittderStrahlungsflchebzw.desBrandes[] StefanBoltzmannKonstante( = 5.67 108 )inW/m2K4 TemperaturderStrahlungsflchebzw.desBrandesinK

DerresultierendeWrmetransportvonderStrahlungsflchezuderangestrahltenFlcheist dabei:qs = (Te4 Tr4 )

[W/m2] []

(2.43) (2.44)

mit:

=r Tr

1

e

1 + 1

r

1

EmissivittderangestrahltenFlche[] TemperaturderangestrahltenFlche[]

27

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen DerKonfigurationsfaktoristeinMadafr,wievielvonderAusgangsstrahlungaufderan gestrahltenOberflcheankommt.NachDrysdale[28]kannderKonfigurationsfaktorfrdie einfallendeStrahlungwiefolgtdefiniertwerden: A2 2

2 11 A1 rs

=0

A1

cos 1 cos 2 dA1 rs2

[]

(2.45)

Abbildung210Strahlungzwischen2Flchenaus[5]

mit:

1 2 rs

WinkelzwischenStrahlungundLotrechtenderStrahlungsflcheinGrad WinkelzwischenStrahlungundLotrechtenderangestrahltenFlcheinGrad StreckezwischenStrahlungsflcheundangestrahlterFlcheinm

2.3.6 Flashover WennsicheinBrandungestrtausbildenkannundzugleichgengendBrandlastvorhanden ist,wirddieTemperaturinderHeigasschicht(deroberenSchichtimRaum)unddieWr mestrahlunghinzuallenanderennochnichtbrennendenObjektensteigen.Beginnendmit der berschreitung eines kritischen Punktes der Wrmefreisetzung werden die von dem WrmestromumgebenenbrennbarenStoffeundMaterialienzubrennenbeginnen,waszu einem schnellen Anstieg der Temperatur und Energiefreisetzung im Raum fhrt. Dieser bergangwirdalsFlashoverbezeichnet,derBrandgehtdabeisehrraschindieVollbrand phaseber.Nach[16]kanneinFlashoveralsderbergangeineslokalenFeuershinzueiner EntzndungdergesamtenbrennbarenOberflcheimRaumdefiniertwerden. DamiteinFlashoverauftretenkann,mssenverschiedenVoraussetzungenerflltsein.Ne ben der erforderlichen Menge an Brandlast muss auch eine Mindestmenge Sauerstoff im Raumvorhandensein,damitsichdasFeuerausbreitenkann.DesWeiterenmussdieDecke desRaumeseszulassen,dasssicheineHeigasschichtbildenkann.DieGeometriedesRau mesmusssobeschaffensein,dasseineAusbreitungdesWrmestromsdieserSchichtzuden brennbarenObjektenermglichtwird,undderenEntzndungerlaubt.Ineinemgeschlosse nenRaumtritteinFlashoverinderRegeldannauf,wenndieHeigasschichtTemperaturen zwischen 550 und 600 C erreicht, was einer Energiefreisetzung von etwa 20 kW/m2 ent spricht [28]. Nach Walton und Thomas [104] kann fr den Spezialfalleines Raumes mit ei nemFensterdiekritischeEnergiefreisetzungfreinenFlashoverwiefolgtberechnet:

Q FO = 0.0078 ARH + 0.378 AV hV mit: ARH

i

[MW]

(2.46)

FlchederRaumhlleinkl.derffnungeninm2

und daraus anschlieend bei bekanntem Verlauf der Energiefreisetzung der Zeitpunkt fr dasAuftreteneinesFlashoversbestimmtwerden. 28

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen

2.4 ZusammenfassungundSchlussfolgerungenUmeineAussagebereinennatrlichenBrand,insbesondereberdenzeitlichenTempera turverlaufderHeigasschichtmachenzuknnen,istdasWissenumverschiedeneParameter erforderlich. Neben den geometrischen Gegebenheiten, wie Raumabmessungen und ff nungsflchen,sindvorallemdieKenntnissederimRaumlagerndenbrennbarenMaterialien, sowie die thermischen Eigenschaften der Umgebungsbauteile von entscheidender Bedeu tung.WhrendinderPlanungsphasefreinneuesBauwerkGeometrieundMaterialiender Raumabschlssezumeistbekanntsind,sinddieAnordnungundMengederbrennbarenMa terialieninnerhalbdesBauwerksinderRegelnochunbekannt.Umdennochrisikogerechte BetrachtungenundBemessungenfrdasEreignisBrandanstellenzuknnenorientiertman sich an den geplanten Nutzungen der Gebude. Dabei zeigen die statistischen Daten fr WohnungsundBrogebudegeringeStreuungenderbrandspezifischenParameter,sodass siefrdieBerechnungrealittsnahangesetztwerdenknnen.SchwierigerstelltsichdieSi tuationfrIndustrieundGewerbebautendar,beideneneszwischendenBetriebengroe Unterschiede gibt und es zu starken Schwankungen in den saisonbedingten oder tagesab hngigen Produktions und Lagermengen kommen kann. Dennoch existieren verschiedene Tabellenwerke,derenDatenaufBrandlasterhebungenzurckgehen.Dortwerdenu.a.nut zungsabhngige Werte fr die Brandlastdichte vorschlagen. In der Schweiz werden fr ge whnlichdieEmpfehlungenderSIADokumentation81[85]verwendet.Zubeachtenist,dass diese Daten immer einen Rckblick darstellen und Vernderungen nicht bercksichtigen. Zudem reichen die angegebenen Parameter oftmals nicht aus, um eine Berechnung des Temperaturverlaufsdurchzufhren.Alsberprfungderinden60erJahrenerhobenenDa ten und zur Untersuchung der Vernderungen der Brandlasten der SIA Dokumentation 81 wurdedahereineErhebungvonBrandlastenininsgesamt95SchweizerIndustrieundGe werbebetriebenimAuftragderVereinigungKantonalerFeuerversicherungen(VKF)durchge fhrt. Die Ergebnisse fanden Einzug in die Brandschutzerluterung Bewertung Brandab schnittsgrssen(19.12.2007/11503d)[102]. DieseBrandlasterhebungenwurdenzudemgenutztumnebenderfrdieRisikobeurteilung bentigten Brandlastdichte weitere Informationen ber brandspezifische Parameter von Industriebautenzugewinnen.

29

2GrundlagenzuBrndeningeschlossenenRumen

30

3ErhebungvonBrandlastdateninIndustrieund Gewerbebetrieben3.1 AllgemeinesBerechnungen und Untersuchungen mittels Wrmebilanzrechnung setzen voraus, dass so wohldieBrandbelastungenalsauchdieraumspezifischenDatenindenbetrachtetenBrand abschnitten bekannt sind. Dabei wird ein Brandabschnitt als ein Teil eines Gebudes defi niert, der von Wnden und Decken mit einem der Brandlast entsprechenden Feuerwider standumschlossenist,oderdurchAuenbauteilebegrenztwird. BeiderBetrachtungvonBrandlastenwirdzwischenmobilerundimmobilerBrandbelastung unterschieden.DiemobileBrandbelastungumfasstdienichtbaulicheAusstattungderRu me,sowiedienutzungsspezifischenGegenstndeundStoffe.DieimmobileBrandbelastung beinhaltetallebrennbarenMaterialienderBaukonstruktionoderdesInnenausbaus(d.h.all jenes,wasmitdemBauwerkfestverbundenist).

Brandlasten in Industriebetrieben

AlsProduktim technologischenProzess Zum Beispiel: Rohstoffe Einsatzstoffe Zusatzstoffe Hilfsstoffe Halbfabrikate Fertigfabrikate etc.

AnEinrichtungen, diefrden technologischenProzess direktbentigtwerden

InderUmgebungdes technologischenProzesses Zum Beispiel : Bauteile desGebudes(immobileBrandlast)

Zum Beispiel : Bauteile anMaschinen undApparaten Khlmittel Schmiermittel Elektronische Betriebsmittel etc.

Ausstattungder Rumeinkl.derelektr. Anlagen Abflle Verpackungsmaterial Transportbehlter etc.

Abbildung31BrennbareStoffe,dargestelltamBeispieleinestechnologischenProzesses[84]

31

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebau DieBrandbelastungwirdinderRegelalsBrandlastdichte,d.h.diefreisetzbareWrmemenge derbrennbarenStoffebezogenaufdenBrandabschnitt[MJ/m2]bzw.imVerhltniszumVo lumendesLagergutes[MJ/m3],dargestellt(vgl.Kapitel2).Dabeiwirddiemaximalfreisetz bare Wrmeenergie infolge der Brandlast durch die Masse der brennbaren Stoffemultipli ziertmitderenNettoHeizwert(Tabelle31)berechnet.Tabelle31BeiderBrandlasterhebungverwendeteHeizwerteaus[9],[15]und[26]

VerwendeteHeizwerteHu Material Aceton(0.8kg/liter) Alkohol(0.7kg/liter) Altpapier Baumwolle Benzin Biskuit Butter Butterkeks Cellulose Epoxydharz,EP EPS(Polystyrene)Styropor Erdl Ethylacetat Farbe Fett Glas Gummi Haselnsse Holz Holzspanplatte Hydraulikl(0.91kg/liter) Kalzium Karton Kse Kleider Lebensmittel Leder Maschinenl Mehl MilchpulverMagermilch Wert 28.8 27.0 13.5 15.5 43.5 17.6 38.2 17.2 16.3 29.2 38.0 43.5 20.8 42.0 40.0 28.8 39.1 16.8 17.0 19.2 35.7 15.5 16.5 13.1 21.0 15.6 19.8 42.3 15.9 15.5 Einheit MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg Material MilchpulverVollmilch Motorenl Nudeln,Eierteigwaren Papier Papierlockergeschichtet Parfmerzeugnisse PE(Formteile) PEFolie Polyester(UP) Polystirol PP PS Propen PVC Reifen Reismehl Schaumstoff Schmierl Schnittholz Schokolade Schwefelwasserstoff Seife Sonnenl Strke Tabak TextilfaserBaumwolle TextilfaserWolle Viskosefaser Wolle Zucker Wert 21.0 41.6 15.1 16.5 17.6 25.2 43.9 44.5 23.9 39.6 45.4 39.6 45.6 18.0 27.7 15.5 39.8 42.0 12.6 23.5 15.1 46.9 25.1 17.6 16.5 17.4 23.2 15.6 23.2 17.1 Einheit MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg MJ/kg

3.2 AusgangslageundAnnahmenfrdieBrandlasterhebungenVor rund 40 Jahren wurden durch den Brandverhtungsdienst fr Industrie und Gewerbe (BVD) im Rahmen der Entwicklung einer Brandrisikomethode (Methode Gretener)umfang reicheBrandlasterhebungendurchgefhrt[85].NebendiesenDatenfindensichin[11],[26], [31]und[42]ebenfallsAngabenzuBrandlasten.LeidersinddiegenanntenDatenmeistlte renDatumsoderdieGrundlagendatenliegennichtmehrvor. Indenletzten3040JahrenhatsichbezglichderProduktionsverfahrenundderzurAnwen dung gelangenden Werkstoffe einiges gewandelt. Die vor lngerer Zeit erhobenen Werte 32

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebau mssendurchneueErhebungenberprftundwontigangepasstwerden.UmdieVern derungen bei den Brandlasten zu untersuchen, wurden durch die ETH Zrich (IBK, Gruppe Fontana und Gruppe Faber) im Auftrag der Vereinigung kantonaler Feuerversicherungen (VKF) im Zeitraum von August bis Dezember 2005 umfangreiche Brandlasterhebungen in IndustrieundGewerbebetriebendurchgefhrt. Zielwares,mglichstvieleBetriebeausunterschiedlichstenIndustrieundGewerbezweigen (Nutzungsklassen)mitdenUntersuchungenzuerfassen.Eswurdeninsgesamt95Schweizer Industrie und Gewerbebetriebe aus 9 verschiedenen Industriezweigen zur Datenerhebung herangezogen(Tabelle32). InjedemBetriebwurdendieBrandlasteninjeweilsmehrerenBrandrumenerhoben,wobei grundstzlichzwischendenNutzungsartenProduktionundLagerunterschiedenwurde.Ins gesamtwurdenin207Lagerund133Produktionsrumeninsgesamt2136Einzelbrandlasten aus150verschiedenenStoffenaufgenommen.Tabelle32BesuchteBetriebeunterteiltnachIndustriebzw.GewerbezweigNutzungsklasseChemische Industrie Chemische Fabriken, Pharmazie Diverse Stoffe/Waren Auto-Zubehr, Lager Baustoffe, Lager Betonwaren Elektrogerte Glas Lederwaren Entsorgung, Recycling Speditions-/Verteilzentrum Schiesspulver Tabakwaren Holzverarbeitung Schreinerei (Mbel, Bau, usw.) Zimmerei Parkett, Laminat Spanplatten, MDF usw Karton-/Papierverarbeitung Karton Papierwaren Druckerei, Buchbinderei Bros Grossraumbro

Anzahl Betriebe Nutzungsklasse6 6 19 2 4 1 2 1 1 3 2 1 2 12 4 6 1 1 12 3 5 4 4 4 Kunststoffverarbeitung Kunststoffe (Rohmaterial, Granulat usw.) Kunststoffe (Fertigteile, Kunststoffwaren) Kunststoffprodukte wie Planen, Plachen Schaumstoffe Lebensmittelverarbeitung Backwaren, Grossbckerei Futtermittel Getrnke Getreidemehl Lebensmittel, allgemein Molkereiprodukte, Kse Schokolade, Kakaoprodukte Speisefett, -l Teigwaren Zucker, Zuckerwaren Metallverarbeitung Feinmechanik, Uhren, Decolltage Kabelherstellung Motorfahrzeuge Metallbearbeitung Textilien Spinnerei-/Webereiprodukte Teppiche Textilien, Kleider

Anzahl Betriebe13 1 10 1 1 15 1 1 1 2 2 1 2 1 2 2 9 2 2 2 3 5 2 1 2

Die Ergebnisse der Brandlasterhebungen sind abhngig von der Menge und Art der Stoffe dieinnerhalbdesLagersoderderProduktionvorhandensind.Dabeiistzubercksichtigen, dasseineexakteMengenunddamitBrandlastermittlungfreineVielzahlderBetriebenur mit unverhltnismig groem Aufwand mglich gewesen wre (selbst wenn man die Un tersttzung durch Firmenangaben mit einbezieht) und daher kleinere Unschrfen bei den Datenmglichsind.DieBrandlastaufnahmenwurdenzudemstichprobenartiganeinemTag durchgefhrtSchwankungenimJahresverlauf(saisonbedingt)oderindentagesabhngigen ProduktionsundLagermengensindnichterfasst. 3.2.1 NichtbercksichtigtebrennbareStoffeundMaterialien BeidendurchgefhrtenBrandlasterhebungenwurdenbrennbareStoffeundMaterialienmit folgenderCharakteristikvernachlssigt: 33

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebau ImmobileBrandlasten: BrandlastendiesichausdenBauteilenderTragstrukturoderderRaumabgrenzunger gebenwurdennichterfasst,dadasZielderErhebungennutzungsbedingteWertefr dieBrandbelastunginIndustriebautenwar. StoffemitzugeringemHeizwert: Stoffe,dieeinenunterenHeizwertunter8.5MJ/kgaufweisen,wurdenbeiderBerech nung der Brandlast vernachlssigt, da derartige Stoffe beim Abbrand mehr Wrme aufnehmenalssieerzeugen(siehehierzuauch[9]). BrennbareStoffeauerhalbvonGebuden: BrennbareStoffe,diesichnichtinnerhalbvonGebudenbzw.Silosbefinden,wurden nichtindieBrandlastberechnungenmiteinbezogen.EswurdenbeidenBrandlasterhe bungenkeineAufnahmenauerhalbvonGebudendurchgefhrt. BrennbareFlssigkeiteningeschlossenenSystemen: BrennbarenFlssigkeiteninBehlternundgeschlossenenSystemenwurdennurdann bercksichtigt,wennsieimHavariefallausdemSystemoderdemBehlteraustreten knnen.DieswurdemitdenFirmenvorOrtgeklrt. DesWeiterenbliebendieStoffeunbercksichtigt,dieineinerFormverarbeitetodergelagert werden,dassihreEntzndungausgeschlossenwerdenkann. 3.2.2 BercksichtigungderProduktionseinrichtungen BeiProduktionsabschnittenwirdderBrandlastanteilderProduktionseinrichtungenpauschal inRechnunggestellt(alsmobileBrandlast).HierbeiwurdeimLaufederdurchgefhrtenEr hebungendieBrandlastdieserEinrichtungenproQuadratmeterProduktionsflchein4Klas seneingeteilt: Wenig: Normal: Viel: Extrem: 30MJ/m2 75MJ/m2 175MJ/m2 250MJ/m2 VerkabelunghauptschlichfrBeleuchtung ProduktionsflchemitmoderatemMaschinenanteil ProduktionsflchemithohemMaschinenanteil ProduktionsflchemithohemMaschinenanteil,Frderbnder aufmehrerenEbenen

Die Werte der Brandbelastungsklassen fr Produktionseinrichtungen wurden ermittelt aus der Kabelmenge (in Kilometer) und den brennbaren Anteilen (Kunststoffe, Hydraulikl, Elektromotoren)derProduktionseinrichtungen,diefreinigewenigeObjekteerhobenwur den.

34

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebau 3.2.3 AufnahmenweitererEinflussgren Neben den brandlastspezifischen Charakteristiken wurden zudem weitere relevante Ein flussgren fr die Bestimmung von ZeitTemperaturkurven unter Brandeinwirkung aufge nommen: vorliegendeFormderLagerundProduktionsgter VerteilungderStoffeimRaum Raumgeometrie GreundLagederVentilationsffnungen KonstruktionsartundKonstruktionsmaterialiendesGebudes vorhandenetechnischeManahmen(insbesondereSprinkleranlagen)

3.3 ErfassungderDatenundelektronischeAufbereitung3.3.1 Erhebungsprotokolle DieAufzeichnungenvorOrtwurdenhandschriftlichdurchgefhrtundmitergnzendenSkiz zen versehen. Die so entstandenen Notizen wurden bezglich der analysierten Betriebe geordnetundarchiviert,undknnenjederzeitamInstitutfrBaustatikundKonstruktionder ETHZrich(GruppeFontana)eingesehenwerden. 3.3.2 ElektronischeErfassung Fr die einheitliche Nutzung und Auswertung der Brandlasterhebung, wurden die aufge nommenenDatenelektronischerfasst.FrjedenBetriebwurdeeineDateimitunterschied lichen Datenbltter (Allgemeine Angaben, Raum und Flchendetails, Brandlastberechnung jeRaum)angelegt.NebenderEinteilungderBetriebeinIndustriezweigemitverschiedenen Nutzungsklassen (vgl. Tabelle 32) wurde jeder einzelne aufgenommene Raum auch einer Nutzungsart(LagerungoderProduktion)zugeordnet(sieheKapitel4). Tabelle33undTabelle34stellendieberechnetenBrandlastdichtenfrdiezugeordneten Nutzungsklassen getrennt nach der Nutzungsart (Produktion und Lagerung) mit den Mini mal, Maximal und Mittelwerten der Brandlastdichte, sowie der dazugehrigen Standard abweichungen dar. Dabei werden aus statistischen Grnden nur Nutzungsklassen darges tellt,frdieDatenvonmindestens3Rumenvorhandensind.WeitereAuswertungenund derenErgebnissewerdeninKapitel4diskutiert. DieErgebnissefrdieeinzelnenRumeknnenderTabelleA1undTabelleA2desAnhangs entnommenwerden.

35

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebauTabelle33BerechneteBrandlastdichtenderunterschiedlichenNutzungsklassenfrdieLagernutzung

Nutzungsklasse (Lagernutzung) Archiv Autozubehr Baumwollwaren Baustoffe Elektrogerte Farblager GetreideMhle Holzwaren Kabel Kunststoffwaren Lebensmittel Lsungsmittellager Metallbearbeitung Mbelfabrikation Papier Papierwaren Pharmazie Schaumstoffe Schokoladewaren Tabakwaren Teigwaren Textilien Verpackungslager Zuckerwaren

Anzahl Rume 4 3 4 10 4 5 3 12 4 25 4 15 6 6 21 6 6 3 4 3 4 5 8 5

Minimum 1121 6456 1405 166 571 530 8034 1393 764 755 564 112 128 1048 6944 1262 932 673 3409 1580 2923 380 372 8271

Brandlastdichte[MJ/m ] Standard Maximum Mittelwert abweichung 6286 3757 2792 6886 6676 215 7006 3648 2383 5734 1554 1678 17220 6416 7673 7825 4907 3095 9309 8876 729 39679 12546 11394 8737 3693 3489 40808 8545 9041 7944 4692 3141 27168 8686 7995 4747 2024 1761 13512 6691 5328 48458 17720 11025 5831 3691 1804 26207 13557 11372 4264 2667 1828 6482 4834 1280 3481 2723 1007 18317 10163 7222 2754 1285 928 6424 2229 1996 23572 13219 6461

2

Variations koeffizient 0.74 0.03 0.65 1.08 1.20 0.63 0.08 0.91 0.94 1.06 0.67 0.92 0.87 0.80 0.62 0.49 0.84 0.69 0.26 0.37 0.71 0.72 0.90 0.49

Tabelle34BerechneteBrandlastdichtenderunterschiedlichenNutzungsklassenfrdieProduktionsnutzung

Nutzungsklasse (Produktionsnutzung)Baumwollwaren Baustoffe(Steinwaren) Bro Druckerei Futtermittel Holzwaren Kabel Kunststoffe Metallbearbeitung Mbelfabrikation Papier Pharmazie Schiesspulver Schokoladewaren Tabakwaren Uhren

Anzahl Rume3 3 9 9 4 8 6 17 8 9 15 5 6 4 3 3

Minimum185 282 168 322 294 345 364 68 81 80 201 90 8 123 231 139

Brandlastdichte[MJ/m ] Standard Maximum Mittelwert abweichung682 537 835 2406 1319 4923 1713 2779 532 1985 2674 3306 1407 4437 579 301 441 402 398 1127 818 1959 824 1106 246 1070 1037 1006 269 1435 402 201 249 128 245 813 528 1522 496 779 161 731 791 1335 559 2017 174 87

2

Variations koeffizient 0.56 0.32 0.62 0.72 0.65 0.78 0.60 0.70 0.66 0.68 0.76 1.33 2.08 1.41 0.43 0.43

36

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebau 3.3.3 ErstelleneinerDatenbank AufbauendaufdieserAuswertungundihrenErgebnissenwurdeeineDatenbankmitfolgen denElementenundVerknpfungenerstellt:Firmen Raum eigenschaften Brandlasten Brandlast eigenschaftenAbbildung32StrukturierungderDatenbank

Nutzungs klassen

Brandlastdichte jeRaum

DieDatenbankstelltdieGrundlagefrdieweiterenAnalysendar.MitdiesenDatenwerden zumEinendieinKapitel4dargestelltenstatistischenUntersuchungenundzumAnderendie SimulationsrechnungenfrdieBrandverlufeinKapitel5durchgefhrt.ZudemwirddieDa tenbankfrdieabschlieendenSicherheitsbetrachtungeninKapitel8herangezogen. DieDatenbankkanninZukunftvondenzustndigenBrandschutzbehrdenbenutztwerden, um weitere Brandlasterhebungen in Industriebauten zu erfassen und dadurch die Daten quellezurErmittlungvonBrandlasteninIndustriebautenlaufendzuerweitern.

3.4 ZusammenfassungundSchlussfolgerungDankdensorgfltigdokumentiertenAufzeichnungenausdenBrandlastaufnahmenundden dazugehrigen elektronischen Auswertungen, sowie der darauf aufbauenden Datenbank knnen die Untersuchungen jederzeit nachvollzogen, gefiltert und analysiert werden. Ob wohldieerfassteDatenmengenureinenBruchteilallerIndustrieundGewerbebetriebenin derSchweizumfasst,ermglichtdieZusammenstellungderBrandlastdichteneineersteEin schtzungfrdieBrandbelastungeninIndustriebauten. UmzuknftigBrandlastenineinzelnenIndustrieobjektenimHinblickaufihreVergleichbar keitleichtererhebenzuknnen,wurdeeinschematischesDatenblattentwickelt(vgl.Abbil dung 33). Mit dessen Hilfe knnen die relevanten Grssen zur Berechnung der Brandlast und zur Ermittlung einer ZeitTemperaturkurve unter dem Lastfall Brand erfasst werden. DabeiwirddieBrandlastberdieEingabederunterschiedlichenbrennbarenStoffeimRaum mitihrerMasseundderZuordnungeinesvordefiniertenHeizwertesberechnet.Frdieexak teBerechnungderEnergiefreisetzungimRaumwirdnotwendigerweisediebrennbareOber flchedesBrandgutesbentigt.KanndiesebeieinerneuenBrandlastaufnahmenichterfasst werden,wirdsie,wieinKapitel5(Abschnitt5.21.2)beschrieben,indemDatenblattberech net. ZudemistdurchdieVerwendungdesvorgeschlagenenAufnahmeblattes(Abbildung33)die problemlosebertragungderErgebnisseindievorhandeneDatenbanksichergestellt.

37

3NeuerhebungvonBrandlastdatenfrdenIndustriebau

Datenblatt zur Aufnahme von Brandlasten in IndustriebautenProjekt: Nutzungsart: Raumgeometrie:Raumlnge [m]: Raumbreite [m]: Raumhhe [m]: Raumflche [m ]: Raumhlle [m ]:2 2

Produktion

Nutzungsklasse:Lagerbreite [m]: Lagerlnge [m]: Lagerhhe [m]:

Papier

Lagerverhltnisse:30 15 5 450 1350 20 8 3 160 480

Ventilationsverhltnisse:Gesamtbreite [m]: Durchschnittshhe [m]: Brstungshhe [m]:1/2

60 1.5 1

Lagerflche [m ]: Lagervolumen [m3]:

2

ffnungsfaktor [m ]: 0.082 Dachffnungen [m2]: 30

Umgebungsbauteile:Wnde: Decke: Boden: Beton Beton Beton

Lagerungsbedingungen:Brandangriffsflche [m2]: Lagerungsdichte [m]: Brandausbreitung: 1000 70% mittel

Brandlasten:BeschreibungComputerbildschirm Sthle Schreibtische Lampe Tische Sofa Bcherregale Mlleimer Aktenschrank Inhalt Regale Inhalt Schreibtische Inhalt Raum Holzstapel l in Fssern

MaterialFarbfernsehgert Sthle Schreibtisch Beleuchtungskrper aus PE Einfacher Tisch Sofa, 2-sitzig offene Broschrnke PE (Formteile) Broschrnke Inhalt Broschrnke Inhalt Schreibtisch Inhalt Broschrnke Holz Maschinenl -

Heizwert Einheit314 105 1256 126 293 1256 837 44 1256 1382 188 1382 17 42 MJ/stk MJ/stk MJ/m3 MJ/m2 MJ/m2 MJ/stk MJ/m3 MJ/kg MJ/m3 MJ/m3 MJ/m3 MJ/m3 MJ/kg MJ/kg -

Menge2 2 1.09 0.144 1.04 1 0.853 0.4 0.15 1 1.09 1 50000 1000

Einheitstk stk m3 m2 m2 stk m3 kg m3 m3 m3 m3 kg kg -

Wrmeenergie [MJ]627 209 1369 18 305 1256 714 18 188 1382 205 1382 850000 42300

Gesamtwrmeenergie:

899973 MJ

Berechnung brandspezifischer Parameter :Brandlastdichte: Heat Release Rate: Brandangriffsflche: Durchschnittsheizwert: Wrmeeindringzahl b : 2000 487 1000 17.5 1918 [MJ/m2] [kW/m ] [m ] [MJ/kg] [J/s1/2m2K]2 2

(jeRaumflche) (jeRaumflche) (entsprichtderAngriffsflchederbrennbarenStoffe) (nachMassegewichtet) (nachanteiligerFlchegewichtet)

Abbildung33EmpfohlenesDatenblattfrzuknftigeBrandlasterhebungenimIndustriebau

38

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen4.1 Hufigkeitsverteilungdergeometrischenundbrandlast spezifischenParametern4.1.1 AllgemeineAngaben Die in diesem Abschnitt aufgefhrten Daten sind ungefiltert und werden unabhngig von statistischenModellunsicherheitenbetrachtet.DieDatenwerdendabeiinzweiNutzungsar ten(ProduktionoderLagerung)eingeteilt(weitereUnterteilungenundAuswertungen:siehe Abschnitt4.2.1).UmdieErgebnisseanschaulichdarzustellenwerdensiealsHistogrammein Klassen,berdenendierelativeHufigkeitaufgetragenwird,dargestellt.AlsweitereInfor mationwirddieSummenhufigkeitindenDiagrammenmitaufgefhrt. 4.1.2 berblickberdieerhobenengeometrischenDaten ZudenwichtigstengeometrischenParameternderRumegehrendieBrandabschnittsfl chen,dieRaumhhenunddieFlchenderVentilationsffnungen.FrdieBrandentwicklung istzudemdieGrederLagerflchenundLagerhhenvonInteresse. 4.1.2.1 Brandabschnittsflchen Abbildung41zeigtdieHufigkeitsverteilungenderBrandabschnittsflchenfrProduktion und Lagernutzung. Dabei wird dieFlchenklasse miteinem Intervall von 500 m2 auf der x Achse aufgetragen. Die VKF Brandschutzvorschriften der Schweiz [99] erlauben fr Bro, Gewerbe und Industriebauten (ohne weitere Manahmen oder rechnerischen Nachweis) zusammenhngendeBrandabschnittsflchevon2400m2undbeimehrgeschossigenbrenn barenBautenvon1200m2.BeidenErhebungentratenfolgendeVerteilungenbezglichdie serVorgabeauf(vgl.Abbildung41): 85%derLagerrumesindkleinerals2400m2,68%kleinerals1200m2 79%derProduktionsrumesindkleinerals2400m2,54%kleinerals1200m2 83%allerRumesindkleinerals2400m2,63%kleinerals1200m2

39

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen80 70 100% 90% 80% 70% 50 40 30 20 20% 10 0 10% 0% 60% 50% 40% 30%

35

100%

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

Hufigkeit(Lagernutzung)

Hufigkeit Kumuliert

30 25 20 15 10 5 0

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

60

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 >10000

Flchenklassen[m2]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 >10000

Flchenklassen[m2]

100%

Abbildung41HufigkeitsverteilungfrBrandabschnittsflchenbeiLagerbzw.Produktionsnutzung40 35 100% 90%

25

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

Hufigkeit(Lagernutzung)

Hufigkeit Kumuliert20

90% 80% 70%

30 25 20 15 10

Hufigkeit Kumuliert

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20%

15

60% 50%

10

40% 30%

5

20% 10%

5 0

10% 0%

0

0%

0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 >3000

Flchenklassen[m2]

0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 >3000

Flchenklassen[m2]

Abbildung41Hufigkeitsverteilung(untereKlassen)frBrandabschnittsflchenbeiLagerbzw.Produktionsnutzung

4.1.2.2 Raumhhen Aus Abbildung 42 geht die Hufigkeitsverteilung der erhobenen Raumhhen hervor. Hier liegen70%derRaumhhenunter7m.BeidenRumenmitHhenber20m(3%)handelt essichimLagerbereichumHochregallagerundimProduktionsbereichummehrgeschossige Produktionsanlagen ohne brandschutztechnische Trennung zwischen den einzelnen Ge schossen.35 30 25 20 15 10 5 0 100% 90%

30

100% 90%

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

Hufigkeit(Lagernutzung)

Hufigkeit Kumuliert

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

25

Hufigkeit Kumuliert

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%

20

15

10

5

0

0%

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

>20

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Hhenklassen[m2]

Hhenklassen[m2]

>20

2

3

4

5

6

7

8

9

Abbildung42HufigkeitsverteilungfrHhenklassenbeiLagerbzw.Produktionsnutzung

40

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen 4.1.2.3 LagerflchenundLagerhhen FrdenBrandverlaufimRaumsindnebendenBrandabschnittsflchenauchdieLagerflchen undLagerhhenvonInteresse.UmdieLagerverhltnisseinIndustriebautenzubeschreiben werden daher auch die Verhltnisse von Lager bzw. Produktionshhe zu Raumhhe und Lagerbzw.ProduktionsflchezuRaumflche,anstellevonabsolutenWertendargestellt.40 35 100%30 100%

Hufigkeit(Lagernutzung)

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70%

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

25

30 25 20 15 10 20% 5 0 10% 0% 60% 50% 40% 30%

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%

20

15

10

5

0

0%

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100%

KlassenfrFlchenverhlnis[%]

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100%

KlassenfrFlchenverhlnis[%]

100%

Abbildung43HufigkeitsverteilungfrFlchenverhltnisseLagerbzw.ProduktionsflchezuRaumflche30 100%25

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

Hufigkeit(Lagernutzung)

25

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60%

20

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30%

20

15

15

50% 40%

10

10

30% 20% 10%

5

5

20% 10%

0100% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95%

0%

0

0%

KlassenfrHhenverhlnis[%]

KlassenfrHhenverhlnis[%]

100%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

Abbildung44HufigkeitsverteilungfrHhenverhltnisLagerbzw.ProduktionshhezuRaumhhe

Die Hufigkeitsverteilungen bezglich der Lagerungsverhltnisse (Hhe und Flche) in In dustriebauten unterliegen groen Streuungen. Dazu kommen tageszeitliche, saisonale und auftragsbedingteLagerschwankungeninnerhalbeinesBetriebes,welcheindenDatennicht erfasstsind,dajeweilsnureinBesuchproBetrieberfolgte. 4.1.2.4 ffnungsfaktoren DieCharakterisierungderVentilationsflchenindenWndenerfolgtnachfolgendmittelsdes ffnungsfaktorsO.Dieserberechnetsichzu:

O=

AV hV ARHAV

[m1/2]

(4.1)

mit:

istdieGesamtflchedervertikalenffnungeninallenWndeninm2 isteingewichtetesMittelderFensterhheninallenWndeninm 41

hV

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen 2 ARH istdieGesamtflchederRaumhlle(einschlielichffnungen)inm

Abbildung45zeigt,dassrund57%deraufgenommenenRumemitLagernutzungund62% mit Produktionsnutzung sich innerhalb eines Bereiches von 0.02 O 0.20 befinden. Die Rumemiteinemffnungsfaktorkleinerals0.015sindimWesentlichenKellerrume.50 45 100% 25 100%

Hufigkeit(Lagernutzung)

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

20

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70%

15

60% 50%

10

40% 30%

5

20% 10%

0

0%

0.000 0.015 0.030 0.045 0.060 0.075 0.090 0.105 0.120 0.135 0.150 0.165 0.180 0.195 0.210 0.225 0.240 0.255 0.270 0.285 >0.300

ffnunsfaktorklassen[m1/2]

0.000 0.015 0.030 0.045 0.060 0.075 0.090 0.105 0.120 0.135 0.150 0.165 0.180 0.195 0.210 0.225 0.240 0.255 0.270 0.285 >0.300

ffnunsfaktorklassen[m1/2]

Abbildung45HufigkeitsverteilungfrffnungsfaktorenbeiLagerbzw.Produktionsnutzung

4.1.3 berblickberdiebrandlastspezifischenRandbedingungen 4.1.3.1 SpezifischerHeizwertHu DieBrandlastineinemBrandabschnittergibtsichausderMassederStoffeundihremspezi fischenHeizwert.DasichdieBrandlastimRegelfallausmehrerenunterschiedlichenProduk tenzusammensetzt,wirdzurBerechnungeinesmittlerenHeizwertesjeRaumdiegesamte BrandlastaufdieGesamtmassebezogen.100% 90% 80%

30

100% 90%

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

70

Hufigkeit(Lagernutzung)

60 50 40 30 20 10 0

25

80%

Hufigkeit Kumuliert

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

20

Hufigkeit Kumuliert

70% 60%

15

50% 40%

10

30% 20% 10%

5

010.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0 7.5

0%

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

22.5

25.0

27.5

30.0

32.5

35.0

37.5

40.0

42.5

45.0

7.5

Heizwertklassen[MJ/kg]

Heizwertklassen[MJ/kg]

Abbildung46HufigkeitsverteilungfrHeizwertebeiLagerbzw.Produktionsnutzung

BeiderAnalysederHeizwertefllteineSpitzeinderHufigkeitsverteilungzwischen15und 20MJ/kgauf(vgl.Abbildung46).DiesentsprichtdemHeizwertvonPapierundHolz.

42

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen 4.1.3.2 Brandlastdichten Die dargestellten Brandlastdichten wurden wie unter Kapitel 2 beschrieben berechnet. Bei der Produktion zeigt sich, dass fast die Hlfte (48%) aller Werte im Bereich bis 500 MJ/m2 liegen.ImFallderLagerrumeisteineweitgrereStreuungderWertefestzustellen,wel cheu.a.aufdieunterschiedlichenLagerhhenzurckzufhrenist.30 100% 70 100%

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

Hufigkeit(lagernutzung)

25

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%

60 50 40 30 20 10 0

Hufigkeit Kumuliert

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

20

15

10

5

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 >20000

0%

Brandlastdichteklassen[MJ/m2]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 >10000

Brandlastdichteklassen[MJ/m2]

100% 90%

Abbildung47HufigkeitsverteilungfrBrandlastdichtenbeiLagerbzw.Produktionsnutzung65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 00 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 >10000

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

25

Hufigkeit(Produktionsnutzung)

Hufigkeit Kumuliert

Hufigkeit(lagernutzung)

20

Hufigkeit Kumuliert

80% 70%

15

60% 50%

10

40% 30%

5

20% 10%

00 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 2400 2550 2700 2850 >3000

0%

Brandlastdichteklassen[MJ/m2]

Brandlastdichteklassen[MJ/m2]

Abbildung42Hufigkeitsverteilung(untereKlassen)frBrandlastdichtenbeiLagerbzw.Produktionsnutzung

4.1.4 StatistischeKenngrenundKorrelationenzwischendenErgebnissen IndenAbschnitten4.1.2und4.1.3wurdentypischeKenngrenausdenBrandlasterhebun gengraphischdargestellt.DiewichtigstenstatistischenWertederdargestelltenKenngren knnenTabelle41entnommenwerden. UmeineAussagebermglichelineareZusammenhngevonverschiedenenEinflussgren ausdenBrandlasterhebungentreffenzuknnen,werdendieAbhngigkeitenderverschie denenGrenmitdemKorrelationskoeffizientbeschrieben.Dieseristdefiniertzu:(x 1i=1 n i

m x ) (y i m y ) sx sy

rxy =

n

mit:

n

[] istdieAnzahlderWertepaare

(4.2)

43

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmenxi , y i

sinddieWertepaare sinddieStandardabweichungenderWertepaare sinddieMittelwertederWertepaare

s x , sy mx , my

DiejeweiligenKorrelationskoeffizientenwurdenfrdieBrandabschnittsflchenbezogenauf die Brandlastdichten bzw. die ffnungsfaktoren berechnet. Die Abhngigkeiten der be schriebenenKenngrensindinTabelle42aufgefhrt.Tabelle41DarstellungstatistischerKenngrenStatistischeKenngren Brandabschnittsflche (Lagernutzung) Brandabschnittsflche (Produktionsnutzung) Brandabschnittsflche (Lager/Produktionsnutzung) Raumhhe (Lager/Produktionsnutzung) VerhltnisLager/Raumflche (Lagernutzung) VerhltnisProduktions/Raumflche (Produktionsnutzung) VerhltnisLager/Raumhhe (Lagernutzung) VerhltnisProduktions/Raumhhe (Produktionsnutzung) ffnungsfaktor (Lagernutzung) ffnungsfaktor (Produktionsnutzung) Heizwert (Lagernutzung) Heizwert (Produktionsnutzung) Brandlastdichte (Lagernutzung) Brandlastdichte (Produktionsnutzung) Einheit Minimum Maximum Mittelwert [m ] [m ] [m ] [m] [%] [%] [%] [%] [m ] [m ] [MJ/kg] [MJ/kg] [MJ/m ] [MJ/m ]2 2 1/2 1/2 2 2 2

Standard Variations Schiefe abweichung koeffizient 1651 2585 2078 5 16 20 21 27 0.06 0.12 10 10 10303 1933 2.88 4.63 4.47 1.98 0.12 0.03 0.48 0.22 2.68 4.55 0.64 0.70 2.46 6.70 1.30 1.43 1.40 0.69 0.26 0.33 0.30 0.46 1.37 1.52 0.39 0.40 1.20 1.78

5.5 14 5.5 2.1 20 10 21 13 0 0 8.5 8.5 104 8

12000 19800 19800 32 100 100 100 100 0.35 0.99 44.5 50.0 68093 18974

1273 1807 1480 7 62 60 70 59 0.04 0.08 24.9 25.1 8598 1084

Tabelle42DarstellungderKorrelationskoeffizienten

BrandabschnittsflcheBrandlastdichte(Lagernutzung) BrandabschnittsflcheBrandlastdichte(Produktionsnutzung) Brandabschnittsflcheffnungsfaktor(Lagernutzung) Brandabschnittsflcheffnungsfaktor(Produktionsnutzung)

rBL rBP rOL rOP

0.022 0.032 0.091 0.117

AufGrundlagederinTabelle42dargestelltenWertelassensichkeinekausalenAbhngig keitenfeststellen.IndenDiagrammenderAbbildung48undAbbildung49sinddiegenann

44

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen tenZusammenhngezwischendenKenngrenberblickshalbergrafischdargestellt(aufdie DarstellungeinigerwenigerExtremwertewirdhierbewusstverzichtet).35000 32500 30000 6000

LagernutzungBrandlastdichte[MJ/m2]

5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Produktionsnutzung

Brandlastdichte[MJ/m2]

27500 25000 22500 20000 17500 15000 12500 10000 7500 5000 2500 0 0 1000 2000 6000 Brandabschnittsflche[m2] 3000 4000 5000 7000 8000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Brandabschnittsflche[m2]

Abbildung48KorrelationenzwischenBrandabschnittsflcheundBrandlastdichte0.4 0.350.4

Lagernutzung

0.35

Produktionsnutzung

ffnungsfaktor[m1/2]

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1000 2000 6000 Brandabschnittsflche[m2] 3000 4000 5000 7000 8000

ffnungsfaktor[m1/2]

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Brandabschnittsflche[m2]

Abbildung49KorrelationenzwischenBrandabschnittsflcheundffnungsfaktor

4.2 BrandlastdichtenfrverschiedeneNutzungsklassenDie Abschtzung der Brandlastdichte ist eine wichtige Manahme zur Bestimmung der thermischen Belastung der Konstruktion im Brandfall. Aus der Kenntnis dieser Gre kann dieAbleitungweitererSchutzmanahmenerfolgen,d.h.dieBrandlastdichtewirdinnerhalb desSystemsdesbaulichenBrandschutzesalswichtigeGreangesehen.Diemglichstexak teBestimmungderBrandlasteinesObjekteshatBedeutungfrdieBeurteilungdeserforder lichen Feuerwiderstandes von Bauteilen und die Brandrisikobeurteilung. Entscheidend ist aberdieTemperatureinwirkungberdieZeit,wobeinebenderBrandlastnochweiterewich tigeFaktoreneineentscheidendeRollespielen(vgl.z.B.Kapitel5). Ziel der Brandlasterhebung war die Bereitstellung von Grundlagedaten zur Festlegung von Richtwerten der Brandlastdichte fr verschiedene Nutzungsklassen. Es ging gerade nicht primrumdieErmittlungeinessehrgenauenWertesfreinbestimmtesObjekt,sondernum die gut dokumentierte Ermittlung von charakteristischen Werten fr bestimmte Nutzungs klassen.DieBrandbelastungisteineberdieZeitvariableGre;beiderErmittlungcharak teristischerWertemussdieserUmstandbercksichtigtwerden. 45

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen DiebeschriebenenErhebungenfandenineinemengenZeitrahmenstatt;23Personenbe sichtigten einen Betrieb innerhalb eines halben Arbeitstages. In dieser zur Verfgung ste hendenZeitdauerwurdeinengerZusammenarbeitmitFirmenmitarbeiternundVertretern der lokalen Brandschutzbehrden die Brandbelastung fr verschiedene Brandabschnitte ermittelt. Von Seiten der Betriebe wurden teilweise logistische Unterlagen zur Verfgung gestellt, die in die Brandlastbestimmung miteinbezogen werden konnten. Fr die Weiter verwendungderDaten,z.B.dieFestlegungcharakteristischerWertederBrandlast,sinddie gutdokumentiertenAufnahmeprotokollederBrandlastwertebeiweiterfhrendenInterpre tationenzubercksichtigen. 4.2.1 NutzungsspezifischeEinteilungderFirmenundRume Um charakteristische Werte fr die Brandlastdichten zu erhalten, wurden die Rume nut zungsspezifischklassiert.DabeiwurdezudemzwischendenNutzungsartenLagerundPro duktionunterschieden. DiejeweiligeZuordnungderProduktionsrumeerfolgteberdieZugehrigkeiteinerFirma zueinerNutzungsklasse,d.h.letztendlichunterBezugnahmeaufdiehergestelltenProdukte (z.B.Teppiche,Schokolade,Papier,etc.(vgl.auchKapitel3)).DieUnterteilungderLagerru mewurdeaufgrunddergelagertenProduktebzw.Materialiendurchgefhrt.Darausergaben sichdieinTabelle43dargestelltennutzungsspezifischenEinteilungen.Tabelle43NutzungsspezifischeEinteilungalleraufgenommenenRumeLagernutzung Nutzungsspezifiche Lagerung Archiv Autozubehr Backwaren Baumwollwaren Baustoffe Brikettlager Chemieprodukte Elektrogerte Farblager Fette Futtermittel Getrnke GetreideMhle Glas Haushaltswaren Holzabflle Holzwaren Industrieabflle Kabel Kunststoffe Kunststoffwaren Anzahl Rume 4 3 1 5 10 1 2 4 5 2 2 1 3 1 3 2 12 2 4 8 19 Nutzungsspezifiche Lagerung Lebensmittel Lederwaren Lsungsmittellager Metallbearbeitung Mbelfabrikation Molkerei Papier Papierwaren Pharmazie Polystyrol Reifenlager Schaumstoffe Schiesspulver Schokoladewaren Tabakwaren Teigwaren Teppiche Textilien TrockenschnitzelRben Verpackungslager Zuckerwaren Anzahl Rume 5 1 16 6 6 2 22 8 7 2 3 3 2 5 3 4 1 5 1 8 6 Nutzungsspezifiche Produktion Backwaren Baumwollwaren Baustoffe(Steinwaren) Bro Chemieprodukte Druckerei Elektrogerte Fette Futtermittel Getrnke GetreideMhle Glas Holzwaren Kabel Kunststoffe Lebensmittelhandel Lederwaren Metallbearbeitung Mbelfabrikation Molkerei Papier Produktionsnutzung Anzahl Rume 1 3 3 9 2 10 2 3 4 3 1 1 8 6 17 2 2 8 7 1 15 Nutzungsspezifiche Produktion Pharmazie Schiesspulver Schokoladewaren Tabakwaren Teigwaren Teppiche Uhren Zuckerwaren Anzahl Rume 5 6 4 3 2 2 3 1

Lagernutzung: 42Nutzungsklassen

Produktionsnutzung: 29Nutzungsklassen

4.2.2 BestimmungvonFraktilwertenfrdieBrandlastdichten 4.2.2.1 Verteilungsdichten DiegewonnenDatenstellenStichprobenderGrundgesamtheitderIndustrieundGewerbe betriebederSchweizdar.EsistmitvernnftigemAufwandunmglichdieBrandlastenaller 46

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen Schweizer Industrie und Gewerbebetriebe zuerfassen. Es stellt sich die Frage, abwelcher AnzahlvonStichproben(Messwerten)dendarausgewonnenenErkenntnisseneinreprsen tativer Charakter zugesprochen werden kann.Generell gilt, dass frhestens ab einem Frei heitsgrad von 3 berhaupt erst eine sinnvolle statistische Aussage gemacht werden kann. AufGrunddergeringenDatenmenge,diefrdieBrandlastdichtenjeNutzungsklasseexistie ren,wirdimvorliegendenFalleineuntereGrenzevon3BrandlastdichtenjeNutzungsartund Nutzungsklasse fr die Auswertungen festgelegt. Verwiesen werden muss dabei allerdings darauf,dassdieErgebnissemitwenigerals5Stichprobenkritischzubetrachtensind. BetrachtetmanTabelle43sowirderkenntlich,dassbeidenLagerrumen15undbeiden Produktionsrumen11nutzungsspezifischeEinteilungenwenigerals3aufgenommeneRu me aufweisen. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Nutzungsklassen bei denen weitere statistischeAuswertungensinnvollundanwendbarsind. EinweitererwichtigerPunktzurBestimmungvoncharakteristischenWertenistdiestatisti sche Modellbildung, hier im Besonderen die Verteilungsfunktion, die man whlt. Fr die Auswertung der Brandlastdichte kommen in erster Nherung folgende Verteilungsfunktio neninFrage: GaussscheNormalverteilung Lognormalverteilung Gumbelverteilung

DieNormalverteilungzeigtfrvieleSachverhalteausNaturundTechnikeineguteNherung, wirdaberimBauweseneherfrAbmessungenundImperfektionengeometrischerArtver wendet.DennochwirdsiefreineersteAuswertunginBetrachtgezogen. DieLognormalverteilungscheintwegenihremreinpositivenWertebereichzunchstdieam bestengeeigneteVerteilungsfunktionfrdieAuswertungderBrandlastdichtendarzustellen. SiewirdinderNormungfrvernderlicheLastenherangezogen. Die Gumbelverteilung wird der Vollstndigkeit halber genannt, weil sie im Eurocode 1 als VerteilungsfunktionfrdieBrandlastdichteherangezogenwird.SiefindetjedochinderRe gelimBauwesenlediglichVerwendungbeiderBerechnungvonExtremwertenklimatischen Ursprungs. Eine Extremwertverteilung ist bei Brandlastbetrachtungen ungeeignet, da das Auftreten eines Brandereignisses nicht zwingend zum Zeitpunkt der hchsten Brandlast in einem Lager oder Produktionsraum auftritt. D.h. der Widerstand des Bauteils wird nicht notwendigerweisedemmaximalenAuftretenderbrennendenBrandlastgegenbergestellt, dadieZufallsvariableBrandereigniseineentscheidendeRollespielt.ImVergleichdazukn nenfrKlimawerte(Schnee,Wind)Extremwertverteilungeneingesetztwerden,dazumBei spieldasEreignisSchneeauerderSchneelastselbstkeineweiterenZufallsgrenhatund so lediglich der Bauteilwiderstand der maximalen Schneelast gegenber gestellt werden muss. DieaufgefhrtenVerteilungsfunktionenundVerteilungsdichtenwerdenwiefolgtberechnet: Normalverteilung: 1

< x + (4.3)

1 x- 2 exp - fx ( x) = 2 2

47

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen

x Fx ( x ) = mit:

(4.4)

StandardisierteNormalverteilung Standardabweichung Mittelwert 0 < x + (4.5)

LogNormalverteilung

1 ln( x / ) 2 1 fx ( x) = exp 2 2 x

ln( x / ) Fx ( x ) = mit:

(4.6)

StandardisierteNormalverteilung2

= e 2 2

(4.7) (4.8)

= e 1

Gumbelverteilung

< x + (4.9) (4.10) (4.11) (4.12)

f x ( x ) = exp ( x U ) exp ( x U )

Fx ( x ) = exp [ exp( ( x U ))] mit:

=U +=1

C

6

C = 0.577216 (EulerKonstante)

Dabeiistfx(x)dieVerteilungsdichteundFx(x)dieVerteilungsfunktion. Die Abschtzung der Parameter fr die Lognormalverteilung (, ) und Gumbelverteilung (,U)erfolgtberdieMaximumLikelihoodMethode.DasPrinzipdieserMethodeistes,ei nen Satz von Parametern einer angenommenen Verteilungsfunktion zu finden, die hchstwahrscheinlichdasstatistischeVerhaltenderzugrundeliegendenStichprobenreflek tiert.ZurnherenBeschreibungdiesesVerfahrenssiehez.B.[10]. VergleichtmannundievorhandenenMesswertemitdenverschiedenenVerteilungsfunktio nen,stelltsichheraus,dassdieLognormalverteilungdieWerteamBestenabbildet.Ineini gen Fllen wird zwar mit der Gumbelverteilung ein besseres Ergebnis erzielt, ber die Ge samtheit betrachtet ist eine Auswertung mit einer logarithmischen Verteilung jedoch sinn voll. Abbildung 410 zeigt fr zwei Nutzungsklassen die verschiedenen Verteilungsfunktionen, dabei wird die zutreffende Abbildung der Messwerte mit der Lognormalverteilung fr Le bensmittelverarbeitungdeutlich.DaszweiteDiagrammzeigtfrKunststoffverarbeitungeine

48

4StatistischeAuswertungderBrandlastaufnahmen leichtbessereAbbildungmitderGumbelverteilung,jedochistd