Brandsimulation / CFD-Simulation: Einführung

Die architektonische Entwicklung favorisiert Gebäude mit sehr filigranen Tragwerken und weitläufigen Raumstrukturen. Beispiele sind der Stuttgarter Flughafen, die Allianz-Arena in München oder der Berliner Hauptbahnhof. Derartige Konstruktionen mit ihrer freien und transparenten Bauweise zeichnen sich durch große zusammenhängende Luftströmungsvolumina aus, in denen sich je nach Bauwerk mehrere 10.000 Menschen gleichzeitig aufhalten können.
Bereits bei kleineren Bränden können große Mengen Brandrauch entstehen, der sich rasch auch in die nicht vom Feuer betroffenen Gebäudebereiche ausbreiten kann. Das Baurecht fordert daher den Nachweis, dass hinsichtlich der Brandsicherheit in solchen Gebäudekomplexen keine Bedenken bestehen. Derartige Nachweise werden in vielen Fällen mit Hilfe von sogenannten Brandsimulationsrechnungen durchgeführt.

Die Ziele

Diese Rechnungen sollen die Auswirkungen eines mutmaßlichen Brandereignisses in dem Bauwerk vorhersagen und haben mitunter sehr unterschiedliche Zielstellungen. Hierzu gehören u.a., dass:

• die durch den Brand entstehende Temperaturbelastung an tragenden Bauteilen vorhergesagt werden soll, um die Gefahr des Bauteilversagens abzuschätzen,

• die beim Brand entstehenden Schadstoffkonzentrationen, die optische Rauchdichte sowie die Rauchausbreitung prognostiziert werden soll, um die Fluchtmöglichkeit aus dem Bauwerk sicherzustellen,

• der Einfluss des anlagentechnischen Brandschutzes (z.B. Löschhilfeanlagen, Rauchdetektion) auf das Brandgeschehen berechnet werden soll,

• die Brand- und Rauchausbreitungssimulation mit einem Evakuierungsmodell gekoppelt werden soll, um die Evakuierung des Bauwerks fallbezogen zu simulieren.

Die Lösungsmethode

Für die Realisierung dieser Ziele wurden sehr unterschiedliche methodische Ansätze entwickelt. Allgemein verbreitet haben sich vor allem die deterministischen Modellansätze. Hierbei werden die physikalisch-chemischen Vorgänge eines Brandes, bspw. die brandinduzierten Strömungen, durch ein mathematisches Gleichungssystem beschrieben, welches mit numerischen Methoden und Algorithmen gelöst werden muss. Diese Technik ist unter dem Oberbegriff Computational Fluid Dynamics (CFD) bereits seit längerem bekannt.

Der zunehmende Einsatz von numerischen Simulationsprogrammen bedeutet einen Paradigmenwechsel im Vorbeugenden Brandschutz. Bisherige langjährige, sehr erfahrungsbasierte Methoden werden durch mathematisch und theoretisch-naturwissenschaftliche Methoden und Technologien abgelöst. Hierbei sind andere Probleme zu lösen, die neue Kompetenzen und Erfahrungswerte erfordern.

Der Umgang mit diesen Herausforderungen, respektive die Bewertung der getroffenen Maßnahmen erfordert Wissen aus Fachdisziplinen, die bislang eher nicht mit brandschutzspezifischen Fragestellungen befaßt waren. Insbesondere gehören hierzu die Verbrennungsgasdynamik, die Numerische Strömungsmechanik, die Numerische Mathematik bzw. das Scientific Computing. Mit unserem Informationsangebot wollen wir dem interessierten Laien einen kleinen Einblick in die auftretendenen Probleme geben.

Die Herausforderungen

Trotz der enormen Fortschritte bei der Rechenkapazität der Hardware und der Effizienz numerischer Verfahren sind nicht alle im Brandfall auftretenden physikalisch-chemischen Prozesse mit der höchstmöglichen Präzision darstellbar. Die Programme basieren daher immer auf einem Kompromiss zwischen Detailtreue und Näherung.
Hieraus leiten sich eine ganze Reihe von Anforderungen sowohl an die Eignung des Simulationsprogramms, als auch an den jeweiligen Anwender ab. Werden diese Anforderungen nicht erfüllt, können korrekte belastbare Rechenergebnisse aus derartigen Rechnungen nicht erwartet werden. Beispielhaft werden einige dieser Anforderungen in den nachfolgenden Abschnitten einleitend beschrieben.

1. Modellbildung

   Während eines Brandes wirken verschiedene physikalische und chemische Prozesse in Wechselwirkung. Diese Prozesse lassen sich mit Hilfe von Integral- und Differentialgleichungen mathematisch beschreiben. Diese Modellbildung muß sich aufgrund der beschränkten Rechenkapazitäten auf die Berücksichtigung der relevanten Prozesse beschränken. Für die spätere numerische Berechnung derartiger brandinduzierter Strömungen sind verschiedene Einflüsse in unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen zu berücksichtigen. Mit diesen Skalenunterschieden muss ein effizientes numerisches Verfahren umgehen können. Beispiele hierfür sind asymptotische Ansätze für die Zero-Mach und Low-Mach Strömungen oder auch die Turbulenzmodellierung (weiter ...).

2. Numerik

   Die bei der Modellbildung entstehenden Differentialgleichungssysteme lassen sich in der Regel nur noch numerisch am Computer berechnen. Hierzu müssen diese Gleichungen in eine algebraische Schreibweise "übersetzt" werden. Diese "Übersetzung" kann mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden, so dass aus einem mathematischen Gleichungssystem mehrere, unterschiedliche numerische Verfahren entstehen können (weiter ...).

3. Anwendung

   Möchte ein Anwender ein Brandsimulationsprogramm auf eine Problemstellung anwenden, muss er zunächst die Eignung des Programms zur Untersuchung der vorgesehenen Problemstellung sicherstellen. Häufig wird hierbei vergessen, dass das Programm an sich nur ein Bestandteil dieser Untersuchung ist. Der Anwender hat über die von ihm festzulegenden Anfangs- und Randbedingungen, sowie die im Programm zu setzenden Parameter selbst einen großen Einfluß auf das Simulationsergebnis. Der nachfolgende Abschnitt diskutiert die Anwendung von Brandsimulationsprogrammen. Er zeigt anhand von Beispielen zahlreiche Fehlermöglichkeiten und begründet diese Anforderungen (weiter...).