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8.3 Brandablauf und Energieumsatz

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8.3.1 Phasen eines typischen Brandverlaufes

Um Massnahmen baulichen Brandschutzes sinnvoll treffen zu können, ist es notwendig, den Brandablauf, das heisst die einzelnen Phasen eines Brandvorganges, genauer zu kennen (vgl. Abb. 8.1).

Entzündung

Teile brennbaren Stoffes werden in Gegenwart von Luft auf die Zündtemperatur gebracht.

Entstehungsbrand

Mit der Entzündung des auf die Zündtemperatur aufgeheizten Stoffes geht der Schwelbrand in einen Flammenbrand über. Einen örtlich begrenzten Brand mit Flammenbildung nennt man Entstehungsbrand.

Schwelbrand (auch Mottbrand genannt)

Je nach Art und Intensität der Zündquelle sowie der beteiligten brennbaren Stoffe entwickelt sich ein Brand verschieden rasch. In den meisten Fällen pflanzt sich der Brand zunächst in der näheren Umgebung unter den brennbaren Stoffen relativ langsam fort. Zum Teil sind kaum sichtbare Glutstellen vorhanden. Werden dabei grössere Mengen brennbarer Substanz erfasst, so steigen die freigesetzte Wärmemenge und die Temperatur etwa exponentiell an.

Explosionsbrand

In ungünstigen Fällen kann ein explosives Gemisch aus brennbaren Gasen, Dämpfen oder Staub mit Luft vorliegen. Nach Erreichen der Zündtemperatur erfolgt die Verbrennung in Sekundenbruchteilen.

Feuersprung

Wenn bei einem Entstehungsbrand die Energieproduktion im Verhältnis zur brennbaren Masse ein gewisses Mass erreicht hat, steigt die Temperatur stark an. Es entsteht eine massive Vergasung der brennbaren Substanzen mit ausgedehnter Flammenbildung. Der Entstehungsbrand geht in einen Vollbrand über.

Typischer Brandverlauf am Beispiel eines normalen Naturbrandes
Abbildung 8.1: Typischer Brandverlauf am Beispiel eines normalen Naturbrandes

Flash-over

In der Zeit bis zum Eintritt des Flash-overs bestehen gute Aussichten, dass ein Brand noch eingedämmt werden kann. Ist die Löschbereitschaft aber erst nach diesem Zeitpunkt erstellt, so ist ein Totalschaden in der Regel unabwendbar.

Vollbrand

Materialgesteuerter Vollbrand:

Wenn genügend Sauerstoff vorhanden ist, wird der weitere Verlauf durch die Menge und Anordnung des brennbaren Materials gesteuert. Immer mehr Material gerät in Brand, und Wärmemenge sowie Temperatur steigen. Erschöpft sich der Brennstoffvorrat, so sinkt die Brandleistung allmählich ab, bis das brennbare Material grösstenteils verbrannt ist.

Luftgesteuerter Vollbrand:

Ist die Luftzufuhr beschränkt, so kann nach einiger Zeit Sauerstoffmangel eintreten. Der Brandablauf wird verzögert, eventuell « erstickt » das Feuer. Plötzliche Luftzufuhr, z. B. durch Öffnen oder Zerstören von Fenstern und Türen, facht das Feuer sofort wieder an.

8.3.2 Brandmodelle

Die Beschreibung des Verhaltens von ganzen Tragsystemen unter Brandeinwirkung ist komplex und die Erforschung der thermischen und mechanischen Prozesse am Bauwerk unter Brandeinwirkung ein relativ junger Wissenszweig. Heutige Ansätze sind z. T. noch zu wenig wirklichkeitsnah oder aber weisen Lösungen auf, die für einen routinemässigen Ingenieureinsatz zu grossen Rechenaufwand und zuviel Spezialwissen erfordern.

Der vorbeugende Brandschutz geht bisher im Normalfall von der Dimensionierung von Einzelbauteilen für eine bestimmte Feuerwiderstandsdauer gemäss den Forderungen der Brandschutznormen und -vorschriften [8.1–8.3] aus und lässt wechselseitige Einwirkungen benachbarter Bauteile aufeinander ausser acht. Einerseits treten durch die Erwärmung infolge Brandbeanspruchung Dehnungen und Verdrehungen der Bauteile auf, die nur in den seltensten Fällen unbehindert sind und die das Brandverhalten des Einzelbauteils verändern können. Andererseits treten beflammte Bauteile in ihrer Wechselwirkung mit u. U. nichtbeflammten Nachbarn « statisch » im Kollektiv auf und können somit kurzzeitig, d. h. innerhalb einer sog. « Brandsicherheitszeit », eine lokale Abminderung der Tragfähigkeit in eingeschränktem Rahmen abfangen. Brände im Geschossbau bleiben glücklicherweise häufig lokal begrenzt. Die zusätzlichen Spannungen im erwärmten Zustand überlagern sich den mechanischen Beanspruchungen aus dem Gebrauchszustand.

Um die Lösung der Probleme zu systematisieren und nach vereinfachenden Lösungsansätzen zu suchen, wird eine Beurteilungsmatrix mit den beiden Hauptkomponenten Brandmodell und Tragmodell beigezogen (vgl. Abb. 8.2).

Das Brandmodell beschreibt die zeitliche Temperaturentwicklung. International werden drei Varianten verwendet (vgl. Abb. 8.2):

  • ISO-Normbrandkurve (ISO-834) [8.8], terf (B1): Als Dauer des Brandraumtemperaturanstiegs gilt die von den Brandschutznormen und -vorschriften geforderte Widerstandszeit terf = F(X) (vgl. Abb. 8.3).
  • ISO-Normbrandkurve (ISO-834) [8.8], taeq (B2): Im Falle eines Naturbrandes (d. h. eines Brandraumtemperaturverlaufes unter Berücksichtigung von Brandbelastung, Belüftungsverhältnissen, Raumgeometrie und Materialeigenschaften der den Brandabschnitt begrenzenden Bauteile → sog. parametrisierter Brand) gibt es ein kritisches Belastungsniveau, oberhalb dessen das Bauelement ausfällt. Dementsprechend lässt sich die sog. äquivalente ISO-Feuerwiderstandsdauer taeq definieren, bei der die Tragfähigkeit bei Einwirkung eines ISO-Brandes identisch ist mit der minimalen Tragfähigkeit bei Einwirkung eines Naturbrandes (vgl. Abb. 8.4/8.5).
Brandbelastungsmodell
Abbildung 8.2: Brandbelastungsmodell (B)/ Tragmodell (T)-Matrix als Ausgangsbasis für die Beurteilung der Feuersicherheit von Bauteilen – Teilsystemen – Tragwerken [8.4, 8.9]

Konventionelle brandschutztechnische Beurteilung von lastaufnehmenden Bauteilen auf der Basis eines Normbrandversuches
Abbildung 8.3: Konventionelle brandschutztechnische Beurteilung von lastaufnehmenden Bauteilen auf der Basis eines Normbrandversuches (ETK ISO 834) und normativer Feuer-Widerstandszeit [8.4]

Erweiterte, « halbanalytische » Beurteilung von lastaufnehmenden Bauteilen bei Brandeinwirkung auf der Basis eines Brandraumtemperaturverlaufes entsprechend ETK ISO 834 und einer äquivalenten Feuerwiderstandszeit, die Brandbelastung, Belüftungsverhältnisse und Materialeigenschaften der den Brandabschnitt begrenzenden Bauteile berücksichtigt
Abbildung 8.4: Erweiterte, « halbanalytische » Beurteilung von lastaufnehmenden Bauteilen bei Brandeinwirkung auf der Basis eines Brandraumtemperaturverlaufes entsprechend ETK ISO 834 und einer äquivalenten Feuerwiderstandszeit, die Brandbelastung, Belüftungsverhältnisse und Materialeigenschaften der den Brandabschnitt begrenzenden Bauteile berücksichtigt (Naturbrandgedanke!) [8.4]

  • Naturbrandkurven (B3): möglichst reale, numerische Modellierung des Gastemperaturverlaufes mit Hilfe der Methode der gekoppelten Energie- und Massenbilanz für
    • vollentwickelte Raumbrände (B3a) mit homogener Verteilung der Brandgastemperatur nach dem Feuersprung im Raum und
    • lokale Brände (B3b) mit lokalisierten Brandbelastungen in grossen Brandabschnitten, gekennzeichnet durch inhomogene Verteilung der Brandgastemperatur aufgrund lokaler Feuersprungbedingungen (vgl. Abb. 8.6).

Bei den Tragmodellen werden grundsätzlich 3 Stufen unterschieden:

Konzept zur Bestimmung der äquivalenten Feuerwiderstandsdauer taeq
 Abbildung 8.5: Konzept zur Bestimmung der äquivalenten Feuerwiderstandsdauer taeq (Feuerwiderstandszeit tr = γ · taeq, γ: Sicherheitsfaktor)

Physikalisches Modell zur analytischen Beurteilung von Tragwerken unter Brandeinwirkung auf der Basis einer möglichst wirklichkeitsnahen Beschreibung eines Naturbrandablaufes
Abbildung 8.6: Physikalisches Modell zur analytischen Beurteilung von Tragwerken unter Brandeinwirkung auf der Basis einer möglichst wirklichkeitsnahen Beschreibung eines Naturbrandablaufes [8.4]

  • Unterteilung der Tragkonstruktion in Einzelelemente (T1) – Stützen, Träger; Dehnungsbehinderungen bleiben unberücksichtigt, Auflagereinspannverhältnisse vereinfacht, volle Lasten
  • Unterteilung der Tragkonstruktion in Teiltragsysteme (T2); sowohl Dehnungsbehinderungen wie Auflagereinspannverhältnisse berücksichtigt, abgeminderte Lasten
  • globale Tragstruktur (T3); abgeminderte Lasten

8.3.3 Wärmebilanz bei Bränden (vgl. [8.7])

Die beim Abbrennen des Materials freigesetzte Wärmeleistung

(8.1)

Schematische Darstellung der Wärme- und Massenströme in einem Brandraum
Abbildung 8.7: Schematische Darstellung der Wärme- und Massenströme in einem Brandraum

muss von der Umgebung aufgenommen resp. abgeführt werden:

  • Erhitzung der Luft resp. Abgase: Die Masse der Luft und damit ihre Wärmeaufnahmefähigkeit ist gering, sodass eingeschlossene Luft rasch erhitzt wird (gilt nicht mehr für grosse Hallen!).
  • Luftaustausch infolge thermischen Auftriebs: Die durch den Unterdruck angesogene kalte Luft liefert neuen Sauerstoff für die Verbrennung:
(8.2)

  • Wärmeaufnahme: Baustoffe und Mobiliar nehmen bei der Erwärmung entsprechend ihrer Masse und spezifischen Wärme Energie auf:
(8.3)

  • Erhitzung der Umgebungselemente durch Konvektion und Wärmestrahlung:
(8.4)

Zeitliche Entwicklung der Brandraumtemperatur in Abhängigkeit von Brandbelastung QB und Luftzufuhr
Abbildung 8.8: Zeitliche Entwicklung der Brandraumtemperatur in Abhängigkeit von Brandbelastung QB und Luftzufuhr – charakterisiert durch den Ventilationsfaktor , berechnet anhand von Wärme- und Massenbilanzen für Brandabschnittsgrössen repräsentativ für Brandräume in Wohn- und Bürogebäuden, Schulen, Spitäler, Hotels.
A: Fläche aller Fenster- und Türöffnungen im Brandabschnitt m2
h: mittlere Höhe der Öffnungen, gewichtet in Bezug
auf die jeweiligen Öffnungsflächen m
Ai: innere Umschliessungsfläche des Brandraumes,
inkl. Fenster und Türflächenm2
Baustoffe: mittlere Materialwerte entsprechend
Backstein, Beton bzw. Stahlbeton:
λ ~ 0,8 W/m · K und ρ · cp ~ 1,7 MJ/m3 · K

  • Transmissionsverlust durch Wände, Decken und Böden:
(8.5)

  • Wärmeabstrahlungsverluste an Fensteröffnungen:
(8.6)

Die Temperatur θB im Brandraum ergibt sich aus der Bilanz obiger Wärmeströme.

Brennbarkeit und Brandverhalten der Baustoffe beeinflussen primär den Brandverlauf in der Vorphase (Schwelbrand, Entstehungsbrand), wogegen die Temperatur im Brennraum massgebend die Erwärmung der Konstruktionsteile und somit den Verlauf des Vollbrandes mitbestimmt.


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