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FDS Leitfaden Beta-Version
Stand 04. März 2014
02.06.2014
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Veröffentlichungsrichtlinien für den FDS Leitfaden:
Dieser Leitfaden wird als geschützte PDF-Datei veröffentlicht, die nur in ihrer Gesamtheit
weitergegeben werden darf. Dies bedeutet insbesondere, dass es nicht erlaubt ist, einzelne
Kapitel des Leitfadens zu entnehmen und separat zu verteilen.
Dieser gemeinschaftliche Beschluss der FDS Usergroup wird gestützt durch die Überlegung,
dass eine qualitativ hochwertige FDS-Simulation nur unter Berücksichtigung aller Bestandteile
des Leitfadens erzielt werden kann.
Der Download des Leitfadens ist unmittelbar auf der Intro-Seite von ShareIdeas möglich, siehe
www.shareideas.de, ohne dass hierzu eine explizite Registrierung in der FDS Usergroup
notwendig ist. Dies trägt zu einer möglichst breiten und unkomplizierten Verbreitung des
Leitfadens bei. Es ist ausdrücklich erwünscht, dass die unter ShareIdeas veröffentlichte
Fassung des Leitfadens zusätzlich auf den Homepages der einzelnen Teilnehmer verlinkt bzw.
bereitgestellt wird.
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Inhaltsverzeichnis
0 Vorwort ............................................................................................................................... 5
1 Wie ist dieser Leitfaden zu verstehen? ................................................................................ 7
2 Wann kann die Anwendung von FDS Sinn machen (und wann nicht)? ............................. 10
3 Orientierungshilfe zum Einstieg in FDS ............................................................................. 12
4 Definition der Brandquelle ................................................................................................. 15
4.1 Kurze Einführung ins Thema ..................................................................................... 15
4.2 Folgen der Modellvereinfachungen und sich daraus ergebende Einschränkungen ... 16
4.3 Praktische Hinweise zur Definition der Brandquelle .................................................. 17
4.3.1 Brandszenarium ..................................................................................................................... 18
4.3.2 Brandverlauf ........................................................................................................................... 19
4.3.3 Standardbrandmodell ............................................................................................................. 20
4.3.4 Spezifische Wärmefreisetzungsrate ...................................................................................... 21
4.3.5 Brandparameter ..................................................................................................................... 22
4.3.6 Lage des Brandherds: ............................................................................................................ 24
5 Definition der Randbedingungen und Geometrien ............................................................. 26
5.1 Allgemeine Hinweise ................................................................................................. 26
5.2 Eingabekennwerte in FDS ........................................................................................ 27
5.2.1 Allgemeines ............................................................................................................................ 27
5.2.2 Globale Randbedingungen .................................................................................................... 27
5.2.3 Zeitschrittweite (Initial Time Step) .......................................................................................... 27
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5.2.4 Gittererstellung für das Rechengebiet (Mesh) ....................................................................... 28
5.2.5 Geometrie .............................................................................................................................. 29
5.2.6 Strömungsfeld ........................................................................................................................ 31
5.2.7 Entrauchungsmaßnahmen und lüftungstechnische Randbedingungen ................................ 31
5.2.8 Brandszenarium ..................................................................................................................... 33
6 Auswertung ....................................................................................................................... 34
6.1 Grundsätzliche Kontrollen und Plausibilitätsüberprüfung der Modellierung ............... 34
6.2 Schutzzielbezogene Ergebnisausgaben ................................................................... 35
6.3 Datenaufzeichnung ................................................................................................... 35
6.3.1 Strömungsfeld zusammen mit Rauch- und Wärmeausbreitung ............................................ 36
6.3.2 Devices .................................................................................................................................. 38
6.3.3 Oberflächen und Körper ......................................................................................................... 38
6.4 Darstellung der Ergebnisse ....................................................................................... 38
7 Dokumentation der Simulation und der Ergebnisse ........................................................... 39
7.1 Textliche und graphische Darstellung ....................................................................... 39
7.2 Tabellarische Zusammenfassung der Randbedingungen.......................................... 41
8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 43
9 Vortragsübersicht aller Treffen der FDS Usergroup........................................................... 45
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0 Vorwort
Der Fire Dynamics Simulator (FDS) ist ein Programm zur Simulation von Bränden. Die Software
simuliert unter anderem dreidimensionale Strömungen auf Grundlage der Navier-Stokes-
Gleichungen, den zugrunde liegenden Brandprozess und die Ausbreitung von Feuer und
Brandrauch. Die Ergebnisse der FDS-Simulationen können mit Hilfe von Smokeview - einem
Teil des gesamten FDS-Programmpakets - visualisiert werden. Die Auswertungen können
sowohl zwei- als auch dreidimensional, als Standbild oder animiert dargestellt werden.
FDS wurde im Jahre 2000 als Open-Source-Programm am amerikanischen National Institute of
Standards and Technology (NIST) unter Leitung von Dr. Kevin McGrattan ins Leben gerufen
und wird seither fortlaufend weiterentwickelt. Es wird weltweit sowohl von
Brandschutzingenieuren in der Praxis als auch von Beschäftigten wissenschaftlicher
Einrichtungen, wie Universitäten, Hochschulen und Instituten zur Untersuchung von
Brandereignissen und deren Auswirkungen eingesetzt, getestet und weiterentwickelt.
Zielsetzungen und Aktivitäten der FDS Usergroup:
Die deutsche FDS Usergroup ist ein unabhängiges Forum für die deutschsprachigen FDS-
Anwender. Sie bietet den Nutzern von FDS die geeignete Plattform für einen intensiven,
wissenschaftlichen Austausch. Unter dem Motto ShareIdeas besteht das Ziel der FDS
Usergroup darin, ein umfassendes Kontakt- und Kooperationsnetzwerk aufzubauen, das den
Austausch von Informationen und Erfahrungen sowie Anregungen und Unterstützung rund um
das Programm FDS ermöglicht.
Das Online-Forum, das den registrierten Mitgliedern zur Verfügung steht, bietet zudem die
Möglichkeit, konkrete Anwenderprobleme direkt und zeitnah zu diskutieren und gemeinsam zu
lösen. Auf dem alljährlich im Herbst durchgeführten Anwendertreffen können Erfahrungen,
Fragestellungen, Probleme und Anregungen, die sich aus der praktischen Anwendung und der
wissenschaftlichen Weiterentwicklung des Programms ergeben, zusammengetragen und
gemeinsam diskutiert werden.
Zusätzlich veranstaltet die Arbeitsgruppe NRW in regelmäßigen Abständen regionale Treffen an
verschiedenen Orten in Deutschland, die eine intensive Vernetzung ermöglichen, sowie einen
begleitenden Sommerworkshop, der sich vor allem praxisorientieren Themen widmet.
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Die Teilnahme in der FDS Usergroup ist kostenlos und steht allen Interessierten offen. Wer sich
für die Anwendung von FDS interessiert, ist herzlich dazu aufgefordert, sich einzubringen und
am allgemeinen Austausch zu partizipieren. Letztlich besteht für FDS Anwender auf diese
Weise die Möglichkeit, Einfluss auf die Weiterentwicklung von FDS zu nehmen und ihren
Beitrag zu einem benutzerfreundlichen Programm zu leisten. Aufgrund der bereits
bestehenden, informellen Kontakte zu den Verantwortlichen beim NIST können die Anregungen
auch auf direktem Weg, unbürokratisch und unkompliziert weitergeleitet werden.
Zielsetzungen des FDS Leitfadens:
Das Ziel des FDS Leitfadens besteht darin, einheitliche und gut nachvollziehbare
Qualitätsindikatoren bei der Erstellung von Brand- und Rauchgassimulationen auf Basis des
Simulationsprogrammes FDS festzulegen, die zu einem allgemein anerkannten
Mindeststandard beitragen sollen. Sowohl für Anwender als auch Prüfende soll kenntlich
gemacht werden, welche Kriterien bei der Anwendung von FDS erfüllt sein bzw. welche
Schwerpunkte gesetzt werden müssen, um letztlich ein belastbares und möglichst
zuverlässiges Simulationsergebnis zu erhalten.
Autoren des FDS Leitfadens:
Bei der Verfassung des vorliegenden Leitfadens haben mitgewirkt:
Dipl.-Ing. (FH) Adelbert Blatter
Dipl.-Ing. (FH) Ralf Galster, Ingenieurbüro Riesener GmbH & Co. KG, Balingen
Dr.-Ing. Gerald Grewolls, SIMTEGO GmbH, Ulm
Prof. Dr. Kathrin Grewolls, Ingenieurbüro für Brandschutz Grewolls, Ulm
Dr. rer. nat. Susanne Kilian, hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH, Berlin
Dipl.-Ing. Manuel Kitzlinger, HALFKANN+KIRCHNER, Erkelenz
Dr.-Ing. Christoph Klinzmann, hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH, Berlin
Dipl.-Chem. oec. Thomas Luthardt, Ingenieurbüro Riesener GmbH & Co. KG, Balingen
Dipl-Ing. (FH), Sebastian Metzger, Gruner AG, Basel
B.Eng. Daniel Mohr, Ingenieurbüro Riesener GmbH & Co. KG, Balingen
Sachverständigenbüro BFT Cognos GmbH, Aachen
Dr.-Ing. Andreas Vischer, Wijnveld//Ingenieure, Osnabrück
Dr.-Ing. Jürgen Will, HHP Nord/Ost Beratende Ingenieure GmbH, Braunschweig
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1 Wie ist dieser Leitfaden zu verstehen?
Die Entwicklung des Brandschutzes in Deutschland zeigt in den vergangenen Jahren einen
deutlichen Trend hin zur Verwendung numerischer Ingenieurmethoden auf. Durch den Einsatz
komplexer Simulationsprogramme kann das Phänomen „Brand“ sowie die daraus
resultierenden Prozesse der Ausbreitung von beispielsweise Brandrauch oder thermischer
Strahlung durch den Ingenieur simuliert und hinsichtlich der Bedeutung für das individuelle
Sicherheitsniveau eines Gebäudes bewertet werden.
Die praktische Anwendung numerischer Ingenieurmethoden im Bereich des Brandschutzes
bietet dem Anwender eine Reihe von gravierenden Vorteilen gegenüber der rein deskriptiven,
unflexiblen Bewertung auf der Basis von Verordnungen oder Richtlinien. Zielkonflikte wie etwa
Kosten auf der einen Seite und ein ausreichendes Sicherheitsniveau auf der anderen Seite
lassen sich häufig aufheben und sinnvoll lösen. Darüber hinaus lässt sich das Sicherheitsniveau
eines Gebäudes nunmehr erstmals quantifizieren. Mittelfristig ist (nicht zuletzt vor dem
Hintergrund der Einführung der DIN EN 1991) weiterhin von einer zunehmenden Anwendung
von Ingenieurmethoden in der Praxis auszugehen.
Auch wenn inzwischen klar ist, dass die großen Vorteile, welche die Anwendung von
Simulationsprogrammen für den Brandschutz aufweist, einen Verzicht darauf nicht mehr
zulassen, stellt die Nutzung numerischer Simulationen im Genehmigungsverfahren doch ein
Novum dar, das nicht mit der Anwendung beispielsweise einer DIN 18230 vergleichbar ist. Die
Anforderungen an ein ausreichendes, systematisches Qualitätsmanagement für komplexe
numerische Simulationsprogramme sind ungleich höher als an die Anwendung von Normen
oder Richtlinien.
Wie alle CFD-Simulationscodes beruht auch FDS auf mehr oder weniger vereinfachenden
Annahmen, da die darzustellenden Prozesse in der Regel nicht mit der notwendigen Detailtiefe
berechnet werden können. In einem ersten grundlegenden Schritt muss der Anwender daher
zunächst den Nachweis führen, dass FDS bzw. die darin von ihm ausgewählten Modelle und
ihre Annahmen für den betrachteten Anwendungszweck tatsächlich geeignet sind. Dieser
Nachweis ist in der Dokumentation für Dritte nachvollziehbar darzustellen und bildet die
Voraussetzung dafür, dass eine eingehende Überprüfung der vom Anwender vorgelegten
Rechenergebnisse überhaupt sinnvoll ist. Welch hohe Bedeutung diesem Nachweis
beizumessen ist, wurde unter anderem durch die auf den FDS-Usergroup-Treffen gehaltenen
Vorträge eindrücklich belegt.
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Nach der Feststellung der grundsätzlichen Eignung sollten in einem zweiten Schritt die
Annahmen zum betrachten Anwendungsfall näher überprüft und die berechneten Daten einer
Plausibilitätskontrolle unterzogen werden. Letztlich ist jeder Anwender angehalten, seine
Simulationen und vor allem die berechneten Raumströmungen sorgfältig und ganzheitlich zu
prüfen und dies auch zu dokumentieren. Durch diese anwenderbezogene Qualitätssicherung
wird wiederum bei der Prüfung im Genehmigungsverfahren der Behörde oder dem Prüfer eine
umfassende Bewertung der Simulationen ermöglicht. Weiterhin ungeklärt sind bisher
Mindestanforderungen hinsichtlich der individuellen Qualifikation, die die Anwender bzw. die
jeweiligen Programme erfüllen müssen.
Die FDS-Usergroup als unabhängige Interessengemeinschaft zum Themenkreis FDS, SMV und
FDS+Evac vertritt die Ansicht, dass ein Leitfaden zur Anwendung der genannten Programme
einerseits zur Sensibilisierung von Anwendern, andererseits aber auch von Prüfern den
numerischen Ingenieurmethoden im Ganzen zu mehr Akzeptanz verhelfen kann und
gleichzeitig eine Hilfestellung zur Vermeidung von groben Fehlern darstellt.
Dieser Leitfaden gibt - ohne Anspruch auf Vollständigkeit - notwendige aber nicht hinreichende
Hinweise, welche Aspekte bei den genannten Nachweisen und Kontrollen eine Rolle spielen
können und berücksichtigt werden müssen. Er versteht sich als Anregung für ein sinnvolles
Vorgehen zur Qualitätssicherung, das jedoch von Fall zu Fall kritisch zu hinterfragen ist und
beantwortet unter anderem die folgenden Fragestellungen:
Was muss der Anwender von FDS mindestens beachten, wenn er etwas simulieren
möchte?
Welche Schritte sind zur qualifizierten Anwendung von FDS mindestens erforderlich?
Welche Daten müssen zur Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse mindestens dokumentiert
werden?
Mindestens so wichtig wie die eigentliche Zielsetzung des vorliegenden Leitfadens, zur
Qualitätssicherung beizutragen und darüber hinaus den Brandschutz in Deutschland langfristig
zu verbessern, ist dabei allerdings das Wissen um das, was dieser Leitfaden nicht leisten kann
(und will):
dieser Leitfaden ist nicht als Handbuch zu verstehen,
er enthält keine Handlungsanweisungen im Sinne von „Befolge A, B und C und die
Simulation wird einwandfrei sein.“,
er erhebt nicht den Anspruch vollständig zu sein,
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er befreit weder den Anwender noch den Prüfer von der Verpflichtung sich weiterführend
mit dem Themenkomplex auseinanderzusetzen.
Durch die Anwendung numerischer Brand- und Rauchsimulationen mit dem Programm FDS
sind eine flexible Gestaltung und individuelle Nachweise der Wirksamkeit von
Brandschutzmaßnahmen möglich. Flexibel ist in diesem Zusammenhang nicht als dehnbar
misszuverstehen. Flexibel meint hier die Möglichkeit, das Sicherheitsniveau für ein Gebäude im
Rahmen eines ganzheitlichen Brandschutzkonzeptes wirklich individuell auf das jeweilige
Objekt anpassen zu können und nicht nur pauschal formuliertes Baurecht anzuwenden.
Gegebenenfalls kann sich hieraus sogar trotz in Summe weniger Maßnahmen ein höheres und
vor allem quantifiziertes Sicherheitsniveau ergeben.
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2 Wann kann die Anwendung von FDS Sinn machen (und wann nicht)?
FDS ist - wie jedes andere Simulationsprogramm – ein Werkzeug, das den Anwender bei der
Lösung eines Problems unterstützt. Es ist konzipiert worden, um schutzzielorientierte
Fragestellungen zur Rauch- und Wärmeausbreitung im baulichen und anlagentechnischen
Brandschutz zu bearbeiten, wie z.B.:
Rauchableitung / Entrauchung von Gebäuden
thermische Beaufschlagung von Bauteilen
Reaktion von Sensoren (z.B. Rauchmelder) zur Branderkennung und/oder Steuerung von
anlagentechnischen Brandschutzmaßnahmen
Reaktion und Wirkung von Sprinklern
Entzündung und Brandausbreitung (nur bedingt möglich, da die Simulation von Zünd-,
Pyrolyse- oder Verbrennungsvorgängen auf Modellansätzen basiert. Siehe Kapitel 4.1 und
4.2)
Das Hauptanwendungsgebiet im Zusammenhang mit bauaufsichtlichen Verfahren ist die
Rauchableitung / Entrauchung von Gebäuden sowie die Wärmeausbreitung und thermische
Einwirkung auf Bauteile von Gebäuden, da z.B. für große Industriegebäude oder
Versammlungsstätten der rechnerische Nachweis einer ausreichenden Entrauchung / einer
raucharmen Schicht oder für den Nachweis der Tragfähigkeit von Bauteilen die Bestimmung
von Heißgas- bzw. Bauteiltemperaturen gefordert wird. Ein Entrauchungsnachweis kann aber
auch als Kompensation bei Abweichungen von anderen brandschutztechnischen
Anforderungen notwendig werden. In diesen Fällen bietet FDS die Möglichkeit zur Optimierung
von Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, d.h. im Gegensatz zu den starren Anforderungen einer
Auslegung z.B. gemäß DIN 18232 Teil 2 oder Teil 5 können bei der Auslegung der
Entrauchungsmaßnahmen die baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen besser
berücksichtigt werden. Konkrete Anwendungsbeispiele können sein:
Versammlungsstätten mit anspruchsvoller Architektur (z.B. Konzertsäle),
komplexe Industriehallen (z.B. mit Zwischenebenen),
ausgedehnte Ladenstraßen,
Bahnhöfe,
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Flughafenterminals,
Atrien,
besondere Tragwerkskonstruktionen,
Nachweise in Bestandsgebäuden.
Bei der Simulation der Ausbreitung von Rauch mit seinen Bestandteilen (Ruß, CO2, CO etc.)
und der Temperaturverteilung ist aber zu beachten, dass die Brandeigenschaften als
Eingabeparameter nur in wenigen Fällen eindeutig festgelegt werden können (siehe Kapitel 4).
Vielmehr liegt es im Ermessen des Anwenders, diese Parameter der Fragestellung angepasst
vorzugeben (z.B. „Mischbrandlasten“).
In den Grenzen seiner Modellspezifikationen berücksichtigt FDS auch die thermische
Beaufschlagung von Bauteilen. Der Wärmeübergang vom Gasvolumen zum Festkörper kann
aufgrund der im Allgemeinen groben Gitterstruktur und der ggf. wenig erprobten Sub-Modelle
(Grenzschichtmodell, Oberflächenstruktur) nur grob beschrieben werden. Bei der
Temperaturberechnung für 3-dimensionalen Festkörper / Bauteile ist FDS im Allgemeinen nicht
anwendbar, da die Wärmeleitung im Körper lediglich 1-dimensional berechnet wird. Letztlich
muss der Anwender prüfen, inwieweit das Strahlungsmodell sowie die Berechnung des
Wärmeübergangs die Anwendbarkeit für seine Problemstellung beschränken.
FDS ist für die Simulation von Entzündungs- und Brandausbreitungsvorgängen sowie der
Löschwirkung mit erheblichen Einschränkungen zu verwenden: Bei der Untersuchung solcher
Vorgänge kann FDS plausible Ergebnisse liefern, dies ist jedoch nicht sicher gewährleistet. Für
die Bewertung benötigt der Anwender ausreichende experimentelle und praktische Erfahrung.
Detaillierte Verbrennungsprozesse können nur mit sehr feinen Gittern und DNS (Direct
Numerical Simulation) simuliert werden, so dass diese Anwendung eher im wissenschaftlichen
Bereich liegt. Die Simulation der Kühlwirkung von Sprinklern ist möglich, die Ergebnisse der
Simulation stimmen aber nur begrenzt mit experimentellen Beobachtungen überein.
Soll FDS im Rahmen eines rechnerischen Nachweises in einem bauaufsichtlichen Verfahren
eingesetzt werden, dann kann es sinnvoll sein, im Vorfeld die Rahmenbedingungen und
Schutzziele, wie z.B. dem Personen- oder Sachschutz, mit den Projektbeteiligten abzustimmen.
Neben der Festlegung der Zielsetzung und der Randbedingungen sollte auch begründet
werden, warum FDS im speziellen Fall ein geeignetes Rechenverfahren ist.
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3 Orientierungshilfe zum Einstieg in FDS
Das Simulationsprogramm FDS sowie das zugehörige Visualisierungsprogramm Smokeview
stehen unter http://code.google.com/p/fds-smv/ auf Basis einer Open-Source-Lizenz zum freien
Download zur Verfügung. Im Programmumfang enthalten sind ausführliche Informationen zu
der Benutzung des Programmes, den zugrunde liegenden mathematischen Modellen und
diversen Verifikations- und Validierungsbeispielen. Nach der gut dokumentierten Installation des
Programmpaketes ist es verhältnismäßig einfach, eines der zahlreichen Beispiele oder eine
darauf aufgebaute Eingabedatei mit FDS zu starten. Die berechneten Simulationsergebnisse
können dann mit Hilfe von Smokeview sehr aussagekräftig visualisiert werden.
Bei FDS handelt es sich um ein Programm, das ausgesprochen robust arbeitet. Dieser große
Vorteil kann jedoch unter Umständen auch zum Nachteil gereichen, da sogar unter eventuell
unrealistischen Randbedingungen ein oberflächlich betrachtet "plausibles" Ergebnis erzielt
werden kann. Zur korrekten und belastbaren Anwendung von FDS sind daher dringend
Grundkenntnisse in Strömungslehre, Thermodynamik und Numerischer Mathematik
erforderlich:
Da FDS hauptsächlich für die Untersuchung von brandinduzierten Strömungen entwickelt
wurde, muss ein Verständnis für brandspezifische physikalische und chemische Vorgänge
vorhanden sein (Heißgas-Plume, Temperaturschichtung, Brandausbreitung, chemische
Reaktionsgleichung, …).
Einfache physikalisch chemische Prozesse bei der Verbrennung und die beschreibenden
Parameter (Heizwert, effektive Verbrennungswärme, spezifische Wärmefreisetzungs- und
Abbrandrate, Ruß- und Schadgasausbeute, …) müssen bekannt sein.
Für die Bewertung der Rauchausbreitung ist es erforderlich, die Zusammenhänge
zwischen Rußfreisetzung und der daraus resultierenden Rauchausbreitung und den
Sichtbedingungen zu kennen (Rußausbeute, spezifischer Extinktionskoeffizient,
Extinktionskoeffizient / Optische Dichte, Erkennungsweite).
Die genannten Grundlagen können im Rahmen oder auf Basis einer naturwissenschaftlichen
oder ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung erworben werden (siehe z.B. SFPE Handbook,
vfdb-Leitfaden [VFDB2009]).
Im Hinblick darauf, dass sich dieser Leitfaden schwerpunktmäßig an Anwender aus dem
Bereich des vorbeugenden Brandschutzes wendet, muss ein grundlegendes Verständnis für
dieses Thema vorausgesetzt werden, wenn mit den Ergebnissen der Simulation eine
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bauordnungsrechtlich relevante Aussage getroffen werden soll. Für ein zielgerichtetes
Vorgehen sollten Begriffe wie z.B. brandschutztechnische Anforderung, Schutzziel,
Bemessungsziel, rechnerischer Nachweis bekannt sein (siehe z.B. vfdb Leitfaden [VFDB2009]).
Zum Einstieg in FDS sollte eine einfache Fragestellung an einem überschaubaren Beispiel
bearbeitet werden. Hierfür eignen sich z.B. gut dokumentierte Experimente mit Raumbränden
(z.B. Yamana/Tanaka/Su). Im Hinblick auf die Umsetzung sollten folgende Themen
abgearbeitet werden (unverbindliche Reihenfolge, keine Gewähr auf Vollständigkeit):
Formales: Titel und Dauer der Simulation (&HEAD)
Zeit: Start und Ende der Simulation (&TIME)
Datenaufzeichnung: Zeitintervall, Bereiche und Variable (&DUMP, &SLCF, &DEVC, …)
Berechnungsgebiet: Gitter (&MESH) und Verbindungen mit dem „Äußeren“ (&VENT …,
SURF_ID= „OPEN“)
Brandherd: Brandeigenschaften (&REAC, &RADI, &SURF …, HRRPUA= , RAMP_Q= /
TAU_Q=),
Lage und Größe:(&OBST, &VENT)
Bauteile (Wände, Decken, etc.): Lage und Eigenschaften (&OBST, &SURF, &MATL)
Öffnungen: Lage (&HOLE, &OBST)
Maschinelle Lüftung: Lage von Auslässen, Ansaugstellen, Volumenstrom (&VENT)
Strömungsgeschwindigkeit:(&OBST, &VENT, &SURF …, VEL= / VOLUME_FLUX=,
RAMP_V= / TAU_V)
Steuerung: Einheiten, Verknüpfungen, Sensoren (&DEVC, &CTRL, &PROP)
Anhand der genannten Themen können die Befehle / Eingabeparameter und ihre Bedeutung
erarbeitet werden. Die Erläuterungen sind im User Guide [FDSUser2013] und Technical
Reference Guide [FDSMath2013][FDSVer2013] nachzulesen. Hilfreich können die zahlreichen
Beispiele vom NIST sein.
Grundsätzlich wird das diskrete Rechengebiet durch einen oder mehrere Quader gebildet,
deren Randflächen (Boden, Decke und vier Seiten) durch den Anwender als Randbedingung
definiert werden müssen. Im diskreten Rechengebiet können in der FDS-Simulation nur die
Objekte strömungstechnisch richtig berücksichtigt werden, die auch mit dem vom Anwender
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gewählten diskreten Gitter geeignet abgebildet werden können. Dem Anwender obliegt daher
die Aufgabe, die für sein Problem relevanten Objekte gegebenenfalls geeignet zu vereinfachen.
Die Eingabe des FDS-Modells mittels einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI: Graphical
User Interface) wie z.B. Pyrosim oder BlenderFDS erlaubt eine ständige grafische Kontrolle des
Modells. Wird das Modell hingegen in traditioneller Weise über einen Textdatensatz generiert,
empfiehlt sich noch vor Simulationsbeginn eine geometrische Überprüfung mit Hilfe von
Smokeview, was zumindest eine grobe Einarbeitung in die zugehörigen Funktionen erfordert.
Da jedoch auch die Auswertung der Simulationsergebnisse vorwiegend auf Smokeview basiert,
ist eine tiefgehende Einarbeitung ohnehin unerlässlich.
Es ist zu empfehlen, die ersten Eingabedateien in einem Texteditor zu erstellen und auf die
Nutzung eines GUIs zunächst zu verzichten. Dies kann während der Einarbeitungszeit zu
einem besseren Verständnis der Struktur einer Eingabedatei beitragen. Wird von Anfang an ein
GUI verwendet, so sollte parallel dazu der Aufbau der erzeugten Eingabedatei begutachtet und
im Detail verstanden werden.
Jede Simulation muss dahingehend überprüft werden, ob die vorgegebenen Randbedingungen
(z.B. Wärmefreisetzungsrate, Strömungsgeschwindigkeiten) „richtig“ dargestellt werden. Die
Ergebnisse sind auch generell auf Plausibilität zu prüfen.
Über verschiedene Foren, z.B. NIST (http://code.google.com/p/fds-smv/), deutschsprachige
FDS Usergroup (http://www.shareideas.de/pg/groups/45/fds-usergroup/) oder F-Sim
Simulationstechnik (http://www.f-sim.de/) kann man gegebenenfalls Hilfe bekommen.
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4 Definition der Brandquelle
Das Kapitel befasst sich mit der Modellierung des Brandes in einer FDS-Simulation zur
Darstellung der von einem Brand eingebrachten Wärmeenergie und Spezies (z.B.
Gaskonzentrationen, Ruß).
4.1 Kurze Einführung ins Thema
Die nachfolgenden einleitenden Ausführungen wurden der Veröffentlichung von Münch, Gerber
und Oevermann [MGO2013] entnommen und für die Zwecke des Leitfadens gekürzt.
Für die im baulichen Brandschutz betrachteten Problemstellungen ist eine detaillierte Simulation
von Zünd-, Pyrolyse- oder Verbrennungsvorgängen mit den gängigen Modellansätzen allein
schon aufgrund der benötigten Rechenzeit nicht praktikabel. Die Zeit- und Ortsskalen der
aufzulösenden Phänomene liegen teilweise um mehrere Größenordnungen auseinander.
Beispielsweise verlangt die Auflösung einer Flammenzone Gitterweiten im Bereich weniger
Millimeter, während die betrachteten Gebäudeabmessungen bis zu mehreren hundert Metern
betragen können. Der Verbrennungsprozess kann daher als Quellterm für Energie- und
Speziesfreisetzung nur stark vereinfacht berücksichtigt werden. Ferner existieren immer noch
eine Reihe nicht allgemein gelöster Probleme bei der Modellierung von brandinduzierten
Strömungen. Hierzu gehören bspw. die unvollständige und nicht-abgeschlossene Theorie für
die Darstellung der Turbulenz oder eben auch von Pyrolyse-, Zünd-, Schwel- und
Verbrennungsprozessen.
Die im Brandfall auftretenden Verbrennungssituationen sind sehr vielfältig. Der
Brandschutzingenieur unterscheidet z.B. zwischen pre-flashover und post-flashover Situationen
oder zwischen Ventilations-gesteuerten und Brandlast-gesteuerten Bränden. In der
Fachdisziplin der numerischen Verbrennungsmodellierung werden jedoch andere, sehr viel
detailliertere Unterscheidungsmerkmale notwendig, die sich an den unterschiedlichen
chemischen und physikalischen Prozessdetails orientieren.
Die Notwendigkeit einer derartigen Differenzierung zeigt bereits, dass die
Verbrennungsmodellierung weit entfernt von einem im Brandschutz allgemein einsetzbaren
Modell ist. Die Verbrennungsmodellierung ist vielmehr Gegenstand aktueller Forschung. Die
Differenzierung der Verbrennung in der Gasphase erfolgt hierbei anhand des
Mischungszustandes von Oxidator und Brennstoff. Im nicht-vorgemischten Bereich sind
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Brennstoff und Oxidator durch die Verbrennungszone getrennt. Im vorgemischten Bereich sind
sie vermischt und die Flamme durchläuft diese Mischung und unterteilt sie in einen verbrannten
und einen noch nicht-verbrannten Bereich. Eine Mischform dieser beiden Moden stellt die
partiell vorgemischte Verbrennung dar.
Während für die vorgemischte und nicht-vorgemischte Verbrennung bereits gut funktionierende
Modellansätze verfügbar sind, ist der partiell vorgemischte Bereich noch ein offenes
Forschungsgebiet, in dem bisher nur wenige, eingeschränkt nutzbare Modellansätze zur
Verfügung stehen. Im Brandfall können sich jedoch alle Moden im Brandverlauf gegenseitig
abwechseln bzw. auch parallel an verschiedenen lokalen Stellen auftreten.
Des Weiteren verlangt die Modellierung von Entstehungsprozessen der Verbrennungsprodukte
(z.B. Gaskonzentrationen von CO2, CO, HCN oder die Rußbildung) sehr umfangreiche
detaillierte Reaktionskinetiken, die zu einem erheblichen Rechenaufwand führen. Der
gegenwärtige Stand der Verbrennungsmodellierung ist insofern für die Darstellung von
unkontrollierten Schadfeuern unbefriedigend.
Aus den beschriebenen Gründen ist es daher im Allgemeinen in der Anwendungspraxis des
Brandingenieurwesens nicht möglich, detaillierte Verbrennungsmodelle zu verwenden.
4.2 Folgen der Modellvereinfachungen und sich daraus ergebende Einschränkungen
In der Folge unterliegen alle Simulationsprogramme für praktische Anwendungen spezifischen
Beschränkungen. Auch im Fire Dynamics Simulator (FDS) kommen deshalb vereinfachte, auf
die brandschutzspezifischen Anforderungen angepasste Modellansätze zur Anwendung. Dies
führt zu einer Reihe von Einschränkungen:
In FDS können ausschließlich diffusionsgetriebene, nicht vorgemischte
Verbrennungsprozesse simuliert werden. Verbrennungsreaktionen wie bspw. in
Explosionen und Rauchgasdurchzündungen sind nicht darstellbar.
Die Freisetzung von Verbrennungsprodukten erfolgt aufgrund empirischer Korrelationen
und ist nicht Gegenstand einer detaillierten Verbrennungsrechnung.
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Das Brandverhalten und die daraus resultierenden Energie- und Speziesfreisetzungen
werden maßgeblich durch die Vorgaben des Anwenders bestimmt und sind nicht
Gegenstand einer chemisch-physikalischen Wechselwirkung auf der Grundlage einer
detaillierten Verbrennungsrechnung.
Die Darstellung des Pyrolysevorganges, also die Einbringung brennbaren Gases in das
Strömungsgebiet, erfolgt entweder über eine durch den Anwender definierten Massen-
bzw. Wärmefreisetzungsverlauf.
Die Wahl der Gitterweite beeinflusst ebenfalls das Brandverhalten sowie Ort und Zeitpunkt
der Energiefreisetzung.
Anstelle der Berechnung eines detaillierten Verbrennungsvorganges tritt die nutzerspezifische
Definition des zeitlichen Verlaufs der Rauch- und Energiefreisetzungsrate. Im Kontext eines
rechnerischen Nachweises z.B. im Rahmen eines bauaufsichtlichen Verfahrens, interessieren
eher die Auswirkungen eines Brandes, insbesondere weil z.B. Art, Ort und Material der
Brandlast vom Anwender zum Planungszeitpunkt meist gar nicht genau spezifiziert werden
können. Vielmehr ist die Definition eines Worst-Case Szenarios erforderlich.
In der Folge beschränkt sich die FDS-Anwendung auf die Definition einer Rauch- und
Wärmequelle (kurz Brandquelle), deren Folgen über die Simulation der Ausbreitung von
Wärme, Rauch und Schadgasen ermittelt werden sollen.
Hinweis: Die genannten Einschränkungen gelten für nahezu alle im
Brandschutzingenieurwesen eingesetzten Modelle zur Simulation der Rauch- und
Wärmefreisetzungsrate. Bei der wissenschaftlichen Anwendung können diese Einschränkungen
durchaus relevant sein. Bei der Erstellung von rechnerischen Nachweisen z.B. im Rahmen
eines bauaufsichtlichen Verfahrens stellen diese Einschränkungen bei „selbstkritischer“
Anwendung von FDS keine signifikante Behinderung dar.
4.3 Praktische Hinweise zur Definition der Brandquelle
Unter Berücksichtigung der o.g. Vereinfachungen / Einschränkungen kann die Brandquelle
definiert werden. Bei der Erstellung eines rechnerischen Nachweises z.B. im Rahmen eines
bauaufsichtlichen Verfahrens muss im Allgemeinen ein Bemessungsbrand aus normativen
Vorgaben oder aus sog. „Naturbränden“ für die vorliegende Nutzung entwickelt werden. Dies
beinhaltet die Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Wärmefreisetzungsrate, die Festlegung der
Brandparameter auf Basis der vorhandenen bzw. möglichen Brandlasten und die Wahl von
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Brandorten unter Berücksichtigung der baulichen und strömungstechnischen
Randbedingungen. Der vorzugebende Brandverlauf, die Brandorte und die Brandparameter
können im Vorfeld mit den Projektbeteiligten - insbesondere Genehmigungsbehörde und/oder
Prüfsachverständiger - abgestimmt werden. (Anmerkung: Die Verantwortung für die zu
wählenden Parameter liegt allein beim Anwender von FDS.)
Die folgenden Hinweise beziehen sich im Wesentlichen auf die Untersuchung der
Rauchausbreitung, insbesondere zur Bewertung und/oder Auslegung von
Entrauchungsmaßnahmen. Für die Untersuchung der thermischen Beaufschlagung (z.B.
Bauteilbemessung) sind ggf. andere Aspekte bei der Definition der Brandquelle zu betrachten.
Hinweise finden sich in den Teilen 1-2 (Allgemeine Einwirkungen - Brandeinwirkungen auf
Tragwerke bzw. Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall) der Eurocode
Normen und deren nationalen Anhängen. Eine weiterreichende Darstellung ist ebenfalls in
Abschnitt 4 des vfdb-Leitfadens [VFDB2009] enthalten. Eine Übersicht zu Möglichkeiten der
Definition einer Brandquelle ist in [VIS2012] und unter Kapitel 4.4 zu finden.
4.3.1 Brandszenarium
Grundsätzlich muss bei Simulationen mit FDS ein besonderes Augenmerk auf das
Brandszenarium gelegt werden. Verschiedene Möglichkeiten und Einstellungen ziehen große
Schwankungen z. B. der Rauch- und Rußproduktion nach sich, welche die Grundlage zur
Bewertung der Wirksamkeit von brandschutztechnischen Anlagen und zur Erreichung der
Schutzziele erforderlich ist.
Im Brandszenarium müssen berücksichtigt werden:
Lage des Brandorts innerhalb des Gebäudes (Höhenlage, Wandbereich, Eckbereich etc. )
Begleitumstände im näheren Umfeld des Brandherdes (zeitliche Entwicklung der
Brandfläche, Zündquellen, zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzungsrate, Brandlasten)
Beschaffenheit des Gebäudes einschließlich seiner haus- und brandschutztechnischen
Einrichtungen, soweit diese Einfluss auf den Brandverlauf bzw. Raumströmungen haben
Ventilationsverhältnisse in verschiedenen Gebäudeteilen (Zuluft- und Abluftöffnungen)
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass äußere Einwirkungsmöglichkeiten durch Personen wie
beispielsweise die Feuerwehr berücksichtigt werden. Hier ist jedoch mit größter Sorgfalt darauf
zu achten, dass die verwendeten „Einflüsse“ in der Realität anders ablaufen.
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Die Wahl der Brandszenarien ist im Hinblick auf die Zielsetzung bzw. die zu betrachtenden
Schutzziele zu begründen. Bereits bei der Auswahl der zu untersuchenden Brandszenarien
können z.B. der Brandschutzprüfer, die Genehmigungsbehörde oder ein Prüfingenieur
einbezogen werden.
4.3.2 Brandverlauf
Bei der Auslegung von Entrauchungsmaßnahmen kann der zeitliche Verlauf der
Wärmefreisetzungsrate (RAMP_Q, TAU_Q) und die spezifische Wärmefreisetzungsrate
(HHRPUA) abgeleitet werden aus:
DIN 18232-2 bzw. -5
VDI 6019 Blatt 1
VdS 2728
TR Strab BS
Bemessungsbrände für S-Bahnen und den gemischten Reisezugverkehr
Naturbrände (Literatur)
individuelle Brandversuche
Bei den normativen Verfahren wird die Brandentstehungsphase im zeitlichen Verlauf der
Wärmefreisetzungsrate aufgrund der vielfältigen Ungewissheiten vernachlässigt. Der Brand
beginnt mit der Brandentwicklungsphase, die meist einen parabolischen Anstieg der
Wärmefreisetzungsrate beinhaltet (Q=a*t^2, a: Brandintensitätskoeffizient). Bei Raumbrand-
versuchen / „Naturbränden“ zeigt sich oftmals ein ähnlicher Verlauf.
In der Vollbrandphase kann im Allgemeinen eine konstante Wärmefreisetzungsrate angesetzt
werden. Z.B. bei DIN 18232-2 bzw. -5 ist jeder Bemessungsgruppe eine maximale
Wärmefreisetzungsrate zugeordnet, für die die Entrauchungsmaßnahmen in der „stationären“
Phase ausgelegt werden sollen. (Für diese Fälle kann zur Vereinfachung der Eingabe der
Parameter TAU_Q verwendet werden.) Aufgrund von Löschmaßnahmen oder Verbrauch des
Brennstoffs sinkt die Wärmefreisetzungsrate in der Abklingphase. Z.B. können bei Anwendung
von VDI 6019 Blatt 1 der Beginn der Abklingphase durch Festlegung des Auslösezeitpunkt von
Sprinklern sowie die Wirkung von Sprinklern durch einen exponentiellen Ansatz berücksichtigt
werden.
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Bei der Verwendung von experimentell ermittelten bzw. aus experimentellen Daten abgeleiteten
Brandverläufen muss der Anwender die Übertragbarkeit auf die zu untersuchente Situation
prüfen und begründen.
Der gewählte Brandverlauf muss alle wesentlichen Risiken abdecken. Dies ist im Allgemeinen
dann gegeben, wenn z.B. der Brandverlauf aus normativen Vorgaben abgeleitet ist. Bei
bestimmten Fragestellungen ist es erforderlich, den Brandverlauf an den Brandort anzupassen
(z.B. gesprinklerte Ladenstraße: Brandherd im Lichthof bei später Sprinklerauslösung,
Brandherd unter einer Galerie mit früher Sprinklerauslösung).
Es können zusätzliche Untersuchungen mit einem „niederenergetischen Brand“ erforderlich
werden.
4.3.3 Standardbrandmodell
Das in den meisten Fällen zur Anwendung kommende Brandmodell beruht auf der
Beschreibung des Pyrolysevorgangs anhand festgesetzter Reaktionsverhältnisse, den
beteiligten chemischen Grundkomponenten und weiterer Materialdaten bei Vorgabe der
Wärmefreisetzung (HRRPUA – spezifische Wärmefreisetzungsrate je Quadratmeter
Brandfläche). Diese Möglichkeit des Bemessungsbrandes stellt die einfachste in FDS mögliche
Form dar, nichts destotrotz gilt es auch hier gewisse Faktoren zu bedenken.
Über die vom Anwender definierte Wärmefreisetzung und dem im Pyrolyse- Modell
vorgegebenen Heizwert (wird bei der Simulation mit FDS5 in der REAC-Zeile kein Brandgut
definiert, wird Propan verwendet) wird dann die Abbrandrate (Burn_Rate) in FDS (unter
Berücksichtigung von Verbrennungsprodukten: CO, Soot, usw.) berechnet. Die in FDS
eingebrachte Wärmefreisetzung wird dann entsprechend Burn_Rate, Heizwert usw. berechnet
und möglichst der vorgegebenen Wärmefreisetzung nachgeregelt. Damit wird auch ersichtlich,
dass bei Anpassung des CO_Yield, CO2_Yield, Soot_Yield, auch der Heizwert entsprechend
angepasst werden muss um auch entsprechende Produktausbeuten zu erhalten. Dieses
Brandmodell geht von einer ausreichenden Sauerstoffzufuhr in den Brandbereich aus. Bei
unterventilierten Verbrennungsprozessen wird die Freisetzung von gasförmigem Brennstoff
über die Brandquelle nicht gedrosselt. Eine Regulierung der Brennstofffreisetzung in
Abhängigkeit der verfügbaren Brennstofffreisetzung erfolgt nicht. Somit kann in kleinen Räumen
leicht mehr Brennstoff freigesetzt werden, als tatsächlich verbrannt werden kann.
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Prinzipiell bietet FDS die Möglichkeit einer detaillierteren Verbrennungsmodellierung mittels des
so genannten „Finite Rate Combustion“-Modells. Dies ist im Rahmen der praktischen
Anwendung von Fragestellungen des Brandschutzingenieurwesens nicht relevant und wird
deshalb hier nicht weiter betrachtet (zur Begründung siehe Abschnitt 4.2). Im Weiteren werden
die einzelnen Parameter und ihre Bedeutung des Pyrolysemodells detaillierter betrachtet.
4.3.4 Spezifische Wärmefreisetzungsrate
Die spezifische (flächenbezogene) Wärmefreisetzungsrate (Abbrandrate entsprechend) kann im
Verlauf eines Brandes stark variieren (vgl. Untersuchungen gemäß ISO 5660 Cone-
Calorimeter). Bei den normativen Verfahren wird dagegen eine konstante spezifische
Wärmefreisetzungsrate vorgegeben (z.B. 300 kW/m² gemäß DIN 18232-2 bzw. -5, bei VDI
6019 Blatt 1 abhängig von der Nutzung).
Bei der Festlegung der spezifischen Wärmefreisetzungsrate (HHRPUA) sollte die
Aufgabenstellung berücksichtigt werden. Eine geringere spezifische Wärmefreisetzungsrate
erfordert eine größere Brandherdoberfläche, dies führt zu einem größeren Plume-Massenstrom,
einer geringeren mittleren Plume-Temperatur, einer geringeren Temperatur in der Heißgas-
/Rauchgasschicht, geringerem thermischen Auftrieb des Rauchgases und einem geringeren
Massen-/Volumenstrom bei natürlichen (thermischen) Rauchabzugsanlagen.
Daher wird z.B. bei DIN 18232-2 auf der sicheren Seite liegend eine spezifische
Wärmefreisetzungsrate von 300 kW/m² vorausgesetzt. Umgekehrt sind maschinelle
Rauchabzugsanlagen bei höherer spezifischer Wärmefreisetzungsrate mit höheren
Temperaturen und größeren Volumenströmen weniger effizient, was z.B. DIN 18232-5 (Anhang
A) mit der Vorgabe einer spezifischen Wärmefreisetzungsrate von 600 kW/m² berücksichtigt.
Grundsätzlich gibt es unterschiedliche Möglichkeiten den zeitlichen Verlauf der
Wärmeenergiefreisetzungsrate in FDS vorzugeben:
Die am häufigsten verwendete Methode ist die Angabe einer konstanten Brandfläche und die
Vorgabe einer konstanten oder einer zeitlich veränderlichen flächenspezifischen
Energiefreisetzungsrate. Bei dieser Definition eines Brandherds ist in FDS die Oberfläche
konstant und die spezifische Wärmefreisetzungsrate ebenfalls konstant bzw. zeitlich
veränderlich, so dass aus dem Produkt dieser beiden Größen eine konstante bzw. zeitlich
veränderliche Wärmefreisetzungsrate resultiert. Diese Form der Brandherddarstellung kann bei
großen Wärmefreisetzungsraten in der Anfangsphase zu unrealistischen Verhältnissen führen:
Bei einer parabolischen Brandentwicklung beträgt z.B. nach der Hälfte der Brandentwicklungs-
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phase die spezifische Wärmefreisetzungsrate ein Viertel der maximalen spezifischen
Wärmefreisetzungsrate. Durch Unterteilung des Brandherds kann dieser Effekt verringert
werden [WIL].
Als weitere Option ist es in FDS möglich den zeitlichen Verlauf der Brandausbreitung bzw. der
Energiefreisetzung durch die Definition eines Startpunktes des Brandes auf der Brandfläche
zusammen mit einer Brandausbreitungsgeschwindigkeit anzugeben.
Bei Angabe einer konstanten flächenspezifischen Wärmefreisetzung ergibt sich die zeitlich
veränderliche Wärmefreisetzungsrate als Produkt aus der flächenspezifischen
Wärmefreisetzung und der aktuellen Größe der Brandfläche in Abhängigkeit von der gewählten
Zellgröße und bis zum Erreichen der vorgegebenen Brandfläche.
Wird dazu noch ein zeitlicher Verlauf der flächenspezifischen Wärmefreisetzungsrate über den
&RAMP-Befehl vorgegeben, um zum Beispiel eine abnehmende Wärmefreisetzung
vorzugeben, so kann der zeitliche Verlauf zusätzlich gesteuert werden.
Die Größe der Oberfläche der Brandquelle hat bei einer identischen Wärmefreisetzungsrate
einen wesentlichen Einfluss auf die sich einstellende Temperaturen sowie des sich ergebenden
Rauchgasmassenstrom, basierend auf der sich in den Plume einmischenden Luft.
Alternativ zur Definition der spezifischen Wärmefreisetzungsrate kann die flächenbezogene
Massenabbrandrate MLRPUA unter Berücksichtigung des Brennstoff-abhängigen Heizwerts
angesetzt werden.
4.3.5 Brandparameter
Die Freisetzung von Verbrennungsprodukten (Ruß, CO2, CO, …) und der Sauerstoffverbrauch
sind über die Brandparameter (&REAC) an die Wärmefreisetzungsrate gekoppelt. In nahezu
allen Anwendungsfällen liegt eine große Zahl verschiedener brennbarer Materie vor. Daher
sollte man nicht mit den Brandparametern für ein bestimmtes Material rechnen.
(Hinweis: Einfache Verbindungen wie z.B. Methan, Propan oder Methanol, Ethanol führen
wegen einer überdurchschnittlich hohen effektiven Verbrennungswärme und einer
unterdurchschnittlich geringen Rußausbeute zu einer sehr geringeren Rußfreisetzung, so dass
derartige Stoffe bei Simulationen im Rahmen eines Entrauchungsnachweisen nicht als
Brennstoff angesetzt werden sollten.)
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Beispiel:
Bei gleicher Energiefreisetzung liefert der Brennstoff PMMA gegenüber dem Brennstoff Propan
(Standard-Voreinstellung bis einschließlich FDS5, ab FDS6 nicht mehr) eine um 80% höhere
Rußausbeute, obwohl der Rußanteil bezogen auf die Brennstoffmasse für beide Brennstoffe
ähnlich groß ist. Aufgrund des niedrigeren Heizwerts wird ein deutlich höherer
Brennstoffmassenstrom benötigt, um eine ähnliche Energiefreisetzung zu erreichen, was zu
dem obigen Effekt führt. Bei der Betrachtung der Sichtweiten zur Beurteilung der
Fluchtwegskonzeption sind dies entscheidende Unterschiede.
Maximale Energiefreisetzung: HRR_max= 10 MW, Daten aus Bauphysik Kalender 2011
Brennstoff 1: Propan, Hu=46 MJ/kg, Y_soot= 0,024 g/g, Burn_Rate= 0,217 kg/s, m_soot
=0,005 kg/s
Brennstoff 2: PMMA, Hu=25,2 MJ/kg, Y_soot= 0,022 g/g, Burn_Rate=0,397 kg/s, m_soot
=0,009 kg/s
Es liegt im Ermessen des Anwenders die Brandlast / das Brandlastgemisch und die
zugehörigen Brandparameter auszuwählen. Diese sind entscheidend mitbestimmend für die
Konzentrationsberechnung der Verbrennungsprodukte (CO, CO2), die aufgrund rein
empirischer Beziehungen aus den Materialdaten erfolgt. Eine Orientierung hierzu bietet der
vfdb-Leitfaden [VFDB2009]. Bei der Erstellung eines rechnerischen Nachweises sollte zur
Auswahl der Stoffe nicht nur der Ist-Zustand betrachtet, sondern auch mögliche
Nutzungsänderungen und/oder Umbauten berücksichtigt werden. Neben den aus der Nutzung
herrührenden Brandlasten (Einrichtungsgegenständen, Lagergütern, Waren etc.) sollten
brennbare Baustoffe bei der Zusammenstellung des Brandlastgemischs nicht vergessen
werden.
Bei Fragestellungen zur Rauchausbreitung / Auslegung von Entrauchungsmaßnahmen mit
Bewertung der optischen Dichte sind die wesentlichen Parameter:
effektive Verbrennungswärme (nicht Heizwert), HEAT_OF_COMBUSTION in [kJ/kg]
Rußausbeute als Massenverhältnis entstehenden Ruß zu umgesetzten Brennstoff,
SOOT_YIELD in [gsoot/gfuel],
spezifischer Extinktionskoeffizient, MASS_EXTINCTION_COEFFICIENT [m²/kgsoot]
Der Extinktionskoeffizient bzw. die Optische Dichte (D = K/2.3) ergeben sich bei der Simulation
als Produkt von Rußkonzentration [kgsoot/m³] und spezifischem Extinktionskoeffizienten
[m²/kgsoot]. Der spezifische Extinktionskoeffizient (ca. 4000 – 9000 m²/kgsoot) ist experimentell
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schwer zu bestimmen und hängt stark von den Randbedingungen bei der Verbrennung und
dem Messverfahren ab. Trotzdem kommt diesem Parameter eine zentrale Bedeutung bei der
Bewertung des Extinktionskoeffizienten / der Optischen Dichte zu. Auf der sicheren Seite
liegend sollte im Allgemeinen der „Default“-Wert (8700 m²/kgsoot) verwendet werden.
Die als Sicht- oder Erkennungsweite bezeichnete Variable berechnet sich als Verhältnis von
VISIBILITY_FACTOR und Extinktionskoeffizienten. Der „Default“-Wert (C = 3) bezieht sich auf
lichtemittierende Objekt nach Jin [JIN2002] ohne Reizgase im Rauchgas. Bei diesem einfachen
Ansatz werden weiterführende Ansätze (Modell von Jin oder Rasbash mit Reizgasen oder das
Schwellenkontrast-Modell von Kokoschka) nicht berücksichtigt [A6-02]. Der
VISIBILITY_FACTOR ist keine physikalisch-chemische Stoffeigenschaft des Brennstoffs / der
Brandlast.
Die Ausbeute von CO2 und CO sowie der O2-Verbrauch sind die Basis bei Bewertung mit Hilfe
des FED (Fractional Effective Dose). Eine Verdünnung, die ein Unterschreiten der Grenzwerte
für die Rußkonzentration (25 – 30 mg/m³) gewährleistet, ist im Allgemeinen hinreichend dafür,
dass die Konzentration anderer toxischer Reaktionsprodukte (CO2, CO) nur einen Bruchteil der
für diese Produkte kritischen Konzentration beträgt [SIW2002]. Daher ist FED von
untergeordneter Bedeutung bei brandlastgesteuerten Bränden.
Die Energie wird bei der Verbrennung konvektiv und in Form von Wärmestrahlung (radiativ)
freigesetzt. Der radiative Anteil der Wärmefreisetzung (&RADI …, RADIATIVE_FRACTION= …)
kann in Abhängigkeit vom Brennstoff 0,2 - 04 betragen („Default“-Wert: 0,35). Insbesondere bei
der Bewertung der Bauteilerwärmung sollte dieser Parameter einen signifikanten Einfluss
haben.
4.3.6 Lage des Brandherds:
Bezüglich der entstehenden Rauchmenge und der Rauchausbreitung ist erfahrungsgemäß ein
Brand am Boden am kritischsten: Wegen der großen Aufstiegshöhe wird vermehrt
Umgebungsluft in den aufsteigenden Rauchgasstrom (Plume) eingemischt, so dass verglichen
zu einem höher gelegenen Brandherd die Rauchmenge größer und die mittlere
Rauchgastemperatur niedriger ist. Bei einer niedrigen Rauchgastemperatur ist der Auftrieb
geringer, so dass die Schichtung des Rauchgases weniger stabil ist und Raumströmungen - z.
B. Zuluft - verstärkt zu Verwirbelungen bzw. Rauchverschleppungen führen können.
Befindet sich der Brandherd an einer Wand oder in einer Ecke, dann wird das Einmischen von
Luft in den Plume eingeschränkt. Demzufolge steigt – verglichen zu einem freistehenden Plume
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/Brandherd - weniger, aber wärmeres Rauchgas auf. Somit ist die Positionierung des
Brandherds an einer Wand oder in einer Ecke bei der Bewertung der Rauchausbreitung wenig
sinnvoll, bei der Bewertung der Bauteilerwärmung aber in der Regel dem „freistehenden“
Brandherd vorzuziehen.
Bei mehrgeschossigen Lufträumen mit Galerien (z.B. Atrien, mehrgeschossige Ladenstraßen)
kann es zu Verwirbelung an der Deckenkante von Galerien und somit zu einem verstärkten
Raucheintrag in Galerieebenen auch unterhalb der eigentlichen Rauchgasschicht kommen.
Erfahrungsgemäß sinken die Rauchgase mit zunehmender Entfernung zum Brandherd
aufgrund der Abkühlung tiefer herab. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass eine Zuluftströmung
in der Nähe eines Brandherdes zu einer verstärkten Einmischung in den über dem Brandherd
aufsteigenden Heißgasplume führen kann.
Bei der Vorgabe der Brandherdpositionen für die Auslegung von Entrauchungsmaßnahmen
sind diese Aspekte zu berücksichtigen. Demzufolge sind im Allgemeinen mehrere Szenarien mit
unterschiedlichen Brandherdpositionen zu betrachten.
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5 Definition der Randbedingungen und Geometrien
5.1 Allgemeine Hinweise
Einzelne Rand- und Anfangsbedingungen einer Simulation mit FDS sind mit der
Genehmigungsbehörde, dem Prüfingenieur bzw. den anderen zuständigen Stellen vor
Simulationsbeginn in Abhängigkeit vom nachzuweisenden Schutzziel insbesondere zu
folgenden Punkten abzustimmen:
den zu untersuchenden Brandszenarien
den zeitlichen Interaktionen (nach Möglichkeit Darstellung als Zeitstrahl)
Umfang und Einfluss anlagentechnischer Brandschutzeinrichtungen wie BMA,
Rauchabzugsanlagen, Brandschutztüren, Lüftungsanlagen oder automatische
Feuerlöschanlagen auf die Brandsimulation
Bei der Untersuchung mittels Brandsimulationen handelt es sich um eine objekt- und
nutzungsspezifische Aussage. Werden die Gebäudegeometrie oder die Lage der Brandlast
bzw. die Brandlasten an sich verändert, ist eine erneute Untersuchung durchzuführen. Wird
keine erneute Untersuchung durchgeführt, so ist dies zu begründen. Je nach zu erzielendem
Schutzziel sind eventuell Parametervariation und dadurch weitere Szenarien zu untersuchen.
Die Gesamtsimulationsdauer steht in Abhängigkeit zur jeweiligen Fragestellung, z. B. Erreichen
einer stationären Phase, Ende des Brandereignisses/Verlöschen des Feuers, Zeitdauer für die
Sicherstellung eines Bemessungsziels (z. B. für die Phase der Selbstrettung, bis zum Beginn
von Löscharbeiten). Innerhalb dieser Zeitspanne sind gebäudetechnische Interaktionen bzw.
Löschmaßnahmen zu berücksichtigen, soweit diese vorhergesagt werden können (bspw.
Auslösen von Sprinkleranlagen oder Inbetriebnahme einer RWA). Wie bereits vorab erwähnt,
sind durch Personen ausgelöste Maßnahmen stets mit äußerster Sorgfalt zu prüfen. In diesem
Fall sind auf jeden Fall sehr konservative Ansätze zu wählen, falls dies gewünscht ist.
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5.2 Eingabekennwerte in FDS
5.2.1 Allgemeines
Bei der Eingabe in FDS handelt es sich um eine reine Textdatei („ASCII-Datei“), die sich auf
jedem Computer mit Hilfe eines einfachen Texteditors bearbeiten lässt.
Textverarbeitungsprogramme wie z. B. MS-Word oder OpenOffice Writer werden für eine
Bearbeitung nicht empfohlen, da es hierbei zu Veränderungen hinsichtlich Sonderzeichen und
Formatierungen kommen kann (bspw. Zeilenumbrüche). Hierdurch kann es passieren, dass die
Datei nicht mehr korrekt in FDS eingelesen werden kann.
Da die FDS-Eingabedatei prinzipiell ohne eine bestimmte Struktur eingegeben werden kann, ist
auf jeden Fall eine Strukturierung der Datei herbeizuführen, so dass schnell nachvollziehbar ist,
was in welchem Abschnitt der Datei zu finden ist. Dies ist für eine Fehlersuche unabdingbar.
Werden „Hilfsprogramme“ zur Erstellung einer FDS-Eingabedatei benutzt, so sind die
Besonderheiten dieser Programme zu beachten.
Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass die jeweils richtigen Formatierungen hinsichtlich der
Texteingabe gewählt werden. Hierzu ist im Allgemeinen das Handbuch von FDS (FDS Users
Guide [FDSUser2013]) zu konsultieren.
5.2.2 Globale Randbedingungen
Globale Randbedingungen sind in FDS voreingestellt („Default-Werte“). Hierzu gehören z.B. die
Umgebungstemperatur, der Luftdruck, die Gaszusammensetzung (Luft), das anfänglich
zufällige Geschwindigkeitsfeld, aber auch die Richtung des Gravitationsfeldes. Davon
abweichende Randbedingungen sind zu definieren und zu begründen.
5.2.3 Zeitschrittweite (Initial Time Step)
Es wird nicht empfohlen, die Zeitschrittweite manuell zu ändern. Die maximal mögliche
Zeitschrittweite wird von FDS auf der Grundlage entsprechender Kriterien selbst berechnet
(CFL-Bedingung).
Kommt es zu numerischen Instabilitäten und die FDS-Simulation bricht ab, so besteht jedoch
die Möglichkeit, die Grenzwerte der CFL-Zahl zu setzen (CFL_MIN, CFL_MAX). Hierbei ist zu
beachten, dass der CFL_MAX Wert in FDS niemals größer als 1 sein darf. Änderungen an den
Grenzwerten greifen in das Lösungsverhalten des advektiven Strömungslösers ein und
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erfordern ein entsprechendes Hintergrundwissen über explizite Lösungsverfahren für den
advektiven Strömungstransport (vgl. [A7-09], [MUEKIL2010]).
Numerische Instabilitäten können ein Indiz für eine fehlerhafte Eingabe sein, treten aber auch
auf, wenn FDS z.B. für die geometrischen und/oder strömungstechnischen Randbedingungen
nicht geeignet ist.
5.2.4 Gittererstellung für das Rechengebiet (Mesh)
Das Rechengebiet wird durch ein oder mehrere Gitter (Meshes, kubische Rechengitter)
definiert. Die zu wählende Gitterweite muss sich nach den geometrischen und
strömungstechnischen Gegebenheiten des Problems richten. Unterschiedliche Kantenlängen
der einzelnen Gitterzellen sind möglich, werden jedoch nicht empfohlen. Bei der Verwendung
mehrerer Gitter ist darauf zu achten, dass die Ränder eines Gitters nicht in Bereichen liegen
sollten, in denen nennenswerte Strömungen zu erwarten sind, wie z.B. in der Nähe des
Brandherds, von Zuluft- oder Rauchabzugsöffnungen, von Auslässen maschineller Zuluft oder
Ansaugstellen maschineller Abluft. Insbesondere sollen die Ränder eines Gitters die
Brandquelle nicht schneiden.
Die Kopplung der einzelnen Gitter durch das in FDS eingesetzte Lösungsverfahren wird
lediglich auf Basis eines Näherungsverfahrens vorgenommen. Dies hat zur Folge, dass
Lösungen sich allein durch die Gebietszerlegung unterscheiden können. Eine Konsistenz der
Ergebnisse zwischen FDS-Simulationen auf einem Gitter und mehreren Gittern ist nicht
notwendigerweise garantiert.
Es ist ebenfalls möglich, die einzelnen Gitter in zwei Gitterachsen zu drehen bzw. zu stauchen
(TRNX, TRNY, TRNZ), diese Möglichkeit sollte jedoch nach Möglichkeit nicht mehr genutzt
werden bzw. nur mit äußerster Vorsicht angewandt werden.
Die Zellgröße ist so zu wählen, dass eine durchströmte Öffnung mindestens eine Zellanzahl von
5x5 aufweist, weil ansonsten physikalische Effekte nicht korrekt aufgelöst werden können. Je
mehr Zellen eine Öffnung abbilden, desto besser wird das Strömungsverhalten dort
wiedergegeben.
Im Allgemeinen kann bei Fragestellungen zur großräumigen Rauchausbreitung im
Zusammenhang mit der Bewertung von Entrauchungsmaßnahmen mit größeren
Zellenabmessungen gearbeitet werden. Soll die thermische Beaufschlagung von Bauteilen im
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Nahbereich des Brandherds bewertet werden, dann sollte ein verhältnismäßig feines Gitter
vorgegeben werden.
Die Verbindungen/Öffnungen am Rand des Berechnungsgebietes (&VENT ….
SURF_ID=‘OPEN‘) sind im Zusammenhang mit der Definition des Gitters zu planen. Hierbei
sollte wiederum ein ausreichender Abstand zu gegebenenfalls strömungstechnisch relevanten
Objekten (z.B. Brandherd, Rauchabzugs- und/oder Zuluftöffnungen) eingehalten werden. Der
erforderliche Abstand/die Anzahl der Zellen hängt von der Größe der Öffnungen ab.
Entsprechendes gilt für den Brandherd. Die Option eines Mirror-Vents (&VENT SURF ID=
‚MIRROR‘) zur Spiegelung des Berechnungsgebietes sollte nur in Ausnahmefällen genutzt
werden, da selbst einfache physikalische Effekte wie die Ablenkung von horizontalen
Strömungen (z.B. durch die Corioliskraft) nicht wiedergegeben werden können. Es ist ein
ausreichender „Freiraum“, entsprechend der Fragestellung, um das Gebäude mit zu berechnen.
So können Strömungen, Wirbel, etc. um und am Gebäude (Simulationsmodell) mit abgebildet
werden. Um die Einflüsse durch windbedingte Druckverteilungen an der Gebäudeaußenseite zu
untersuchen muss im Allgemeinen das Berechnungsgebiet deutlich vergrößert werden. Für eine
realistische Berechnung der äußeren Druckverteilung müsste die großräumige Bebauung
gegebenenfalls zusammen mit der Topographie berücksichtigt werden.
Die Abmessungen, die Genauigkeit ebenso der Detailgrad haben auf die zu wählende
Gitterzellenweite – „Mesh“ einen direkten Einfluss. Dies gilt natürlich auch umgekehrt. Damit
bestimmt die Gitterweite die feinste Auflösung der Objekte und hat einen direkten Einfluss auf
die Berechnungsdauer der Simulation.
Der zu wählende Detailgrad des Simulationsmodells hängt ebenfalls stark von der
Fragestellung ab. Soll der Abbrand einer Zigarette, einer Kerze, etc. berechnet werden ist
sicherlich eine andere Genauigkeit des Modells zu wählen, als wenn die grundsätzliche
Entrauchung einer Industriehalle nachgewiesen werden soll.
5.2.5 Geometrie
Grundsätzlich ist die Nutzung im und am Gebäude (Lagerflächen, Freiflächen) zu beachten. Es
muss im Vorfeld bestimmt werden, welche Bauteile, Lagergüter, etc. Einfluss auf die
Strömungen und damit auf die Temperatur- und Rauchausbreitung haben. Des Weiteren sind
Einbauten (Zwischenebenen, Galerien, Unterdecken, abgetrennte Räume, …) zu
berücksichtigen, wobei der Detaillierungsgrad im Ermessen des Anwenders liegt bzw. vom zu
untersuchenden Szenario und nachzuweisenden Schutzziel abhängt. Die
Strömungsverhältnisse (Zuluft- und Abluftsituation) sind dementsprechend genau aufzunehmen
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und abzubilden. Werden regelmäßige Geometrien abgebildet (bspw. Stützenreihen), so kann
dies mit der Nutzung von &MULT recht übersichtlich dargestellt werden, was der Lesbarkeit der
Eingabedatei dient.
Hierbei gilt es zu berücksichtigen, dass eine Zelle entweder mit einem Objekt, z.B. Bauteil oder
z.B. mit Luft „gefüllt“ sein kann. Ist die Hälfte des Gitters gefüllt, wird das Gitter-Element als
Objekt erkannt. Ist weniger als die Hälfte mit einem Objekt gefüllt, wird das Gitter-Element als
Luftvolumen in der Rechnung berücksichtigt. Dies ist insbesondere bei der Darstellung von
Öffnungen - z.B. Türen oder Toren als Zuluftöffnungen oder "Löcher" im Dach, die als
Rauchabzugsöffnungen angesetzt werden - in Bezug auf die vorgegebenen Fläche zu
berücksichtigen. „Rundungen“ und „nicht zum Berechnungsgitter orthogonal verlaufende
Wände“ werden daher immer abgestuft dargestellt und berechnet. Es gibt nur
Rechteckelemente in FDS, dies wird in FDS „stair stepping“ genannt. Vor FDS6 wurde mit dem
Parameter „SAWTOOTH“ ein Verhalten erzielt, durch das die Berechnung an den Kanten der
„stair-stepping“ Geometrie „abgeschwächt“ wurde, um möglichst nahe an eine „schräge“
Geometrie hinsichtlich des Strömungsfeldes zu gelangen. Ab FDS6 wird dies durch den
Parameter „FREE_SLIP“ realisiert.
Für die modellierten „OBSTs“ (Wände, Stützen, Decken, Unterzüge, etc.) ist die Eigenschaft
„INERT“ voreingestellt. Neben der „inerten“ Eigenschaft kann dem Objekt z.B. auch ein
adiabatisches Verhalten zugewiesen werden. Des Weiteren können die Bauteile mit
Materialeigenschaften belegt werden (&SURF, &MATL). Die angenommenen Eigenschaften
sind in geeigneter Weise zu dokumentieren. Es wird grundsätzlich empfohlen, die
Materialeigenschaften der eingegebenen Geometrieelemente soweit wie möglich der Realität
anzupassen, da dies einen Einfluss auf die Angabe und Aufnahme von Strahlungsenergie
haben kann, welche die Strömung bzw. das Temperaturfeld beeinträchtigen kann. Je nach zu
untersuchendem Szenario kann ein entsprechend hoher oder niedriger Detaillierungsgrad
hinsichtlich der Materialeigenschaften vorgenommen werden.
Im Allgemeinen vorkommende Undichtigkeiten sollten durch nachträglich definierte Öffnungen,
vorzugsweise bodennah, berücksichtigt werden. Diese Öffnungen sorgen für einen
„Druckausgleich“, so dass in der Anfangsphase bei geschlossenen Rauchabzug- und
Zuluftöffnungen der Druck im Brandraum nicht „unnatürlich“ ansteigt.
Um eine bessere Auswertbarkeit oder einzelne Dinge besser darstellen zu können, besteht die
Möglichkeit, dass einzelne OBSTs mit unterschiedlichen Farben oder Texturen versehen
werden können. Ebenfalls können unterschiedliche Transparenzgrade für verschiedene OBSTs
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in der Eingabedatei definiert werden, was ebenfalls hilfreich sein kann. Smokeview bietet hierzu
zusätzlich die Möglichkeit einen Schnitt (CLIP) durch die eingegebene Geometrie zu machen,
so dass recht einfach ins "Innere" geschaut werden bzw. eine bessere Darstellung erreicht
werden kann.
5.2.6 Strömungsfeld
Das anfängliche Strömungsfeld wird durch Zufallswerte gering beeinflusst (siehe „Globale
Randbedingungen“). Das Strömungsfeld kann zum Berechnungsbeginn auf Null gesetzt
werden, indem die Einstellung &MISC NOISE=.FALSE. aktiviert wird.
Mit FDS6 besteht zudem die Möglichkeit ein Strömungsfeld berechnen zu lassen und dieses
abzuspeichern. Dies kann dann bei einer Simulation zu Beginn geladen werden, so dass ein
entsprechender Vorlauf nicht mehr notwendig wird.
Zusätzlich ist die Einstellung von „Wind“ für FDS-Berechnungen möglich. Hierzu werden in der
&MISC-Zeile die Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit für den Vektor in m/s angegeben
(U0, V0, W0). Die Berücksichtigung von Wind in den Simulationsläufen kann die Rechenzeit
jedoch erheblich verlängern.
5.2.7 Entrauchungsmaßnahmen und lüftungstechnische Randbedingungen
5.2.7.1 Öffnungen
Öffnungen in Umfassungsbauteilen als Rauchabzugs- oder Zuluftöffnungen für die Entrauchung
lassen sich als Löcher (&HOLE) darstellen. Da im Allgemeinen diese Öffnungen erst im Verlauf
eines Brandereignisses freigegeben werden, kann über ein Obstacle die Öffnung verschlossen
werden (&OBST PERMIT_HOLE= .FALSE.). Das Auffahren/Öffnen z.B. eines natürlichen
Rauchabzugsgerätes, von Toren oder Türen kann mit Hilfe von Sensoren (&DEVC) oder
erweiterten Kontrollfunktionen (&CTRL) gesteuert werden.
Bei der Vorgabe der Koordinaten der Löcher und der Verschlüsse ist darauf zu achten, dass
deren Fläche nur im Rahmen der Gittereinteilung festgelegt werden kann. Bei der Auslegung
von natürlichen Rauch- und Wärmeabzugsmaßnahmen muss im Allgemeinen eine Anforderung
bezüglich der erforderlichen, aerodynamisch wirksamen Rauch- und Wärmeabzugsfläche
formuliert werden, die bei der numerischen Simulation vorgegebene geometrische Fläche der
Öffnung also in eine aerodynamisch wirksame Fläche umgerechnet werden. Für die
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entsprechende Bewertung gibt es Untersuchungen, deren Ergebnisse im Rahmen diverser
FDS-Usergroup-Treffen vorgestellt wurden.
5.2.7.2 Maschineller Rauchabzug und maschinelle Zuluft
Für maschinellen Rauchabzug und maschinelle Zuluft muss zum einen der Volumenstrom bzw.
die Geschwindigkeit und zum anderen die Größe der Ansaugstelle bzw. des Auslasses
festgelegt werden. Auf einfache Weise geschieht dies durch das Platzieren eines Vents
(&VENT) auf der Oberfläche eines Obstacles (mindestens eine Gitterzelle dick). Hierbei ist
darauf zu achten, dass die Oberfläche auf dem Rand von Gitterzellen liegt.
Der Volumenstrom kann direkt (&SURF VOLUME_FLUX=) oder indirekt über das Produkt aus
der Fläche des Vents und der Geschwindigkeit (&SURF VEL=) vorgegeben werden. Das
Vorzeichen bestimmt, ob es sich um Abluft (+) oder Zuluft (-) handelt. Die Strömung ist parallel
zur Normalen auf der Vent-Fläche gerichtet.
Maschinelle Zuluft bzw. Abluft können auch abweichend von der Normalrichtung eingeblasen
bzw. abgesaugt werden (&SURF VEL_T= …, ). Bei der Verwendung dieses Parameters sollte
vorab getestet / überprüft werden, ob sich ein plausibel wirkendes Strömungsfeld einstellt, ob
mit dem gewünschten Volumenstrom eingeblasen bzw. abgesaugt wird und ggf. wie lange es
dauert, bis sich ein stabiles Strömungsfeld eingestellt hat. Zusätzlich besteht seit FDS6 die
Möglichkeit, dies über ein HVAC-System (Heating, Venting and Air Conditioning) zu realisieren.
Hierbei ergeben sich teilweise recht komfortable Möglichkeiten, Systeme verschiedenster Art
recht einfach zu modellieren.
Bei der Definition eines Gebläses sind die Anmerkungen des Handbuchs zu beachten. Hierbei
ergeben sich erfahrungsgemäß befriedigende Ergebnisse, wenn die Strömung in eine der drei
Koordinatenachsen gerichtet ist. Wenn mit dem Gebläse sehr große
Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt werden sollen, sind die im Abschnitt 6.1 genannten
Hinweise zu den Anwendungsgrenzen des Programms (kleine Mach-Zahlen) zu beachten
Mit Hilfe von Sensoren (&DEVC) oder erweiterten Kontrollfunktionen (&CTRL) kann das Ein-
und Ausschalten maschineller Zu- oder Abluftanlagen und Gebläsen simuliert werden. Die
Geschwindigkeit bzw. der Volumenstrom können zeitlich variiert werden (&SURF
RAMP_V=‘…‘).
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5.2.8 Brandszenarium
Eine wesentliche Randbedingung ergibt sich aus dem verwendeten Brandszenarium, welches
mit besonderer Sorgfalt zu definieren ist (siehe hierzu die Ausführungen in Kapitel 4.3.1).
Die Wahl der Brandeigenschaften (&REAC) zusammen mit dem zeitlichen Verlauf (&RAMP,
&SURF TAU_Q=) erfolgt gegebenenfalls basierend auf baurechtlichen Anforderungen,
technischen Regeln, Normen, etc. und in Abhängigkeit vom Bemessungs-/Schutzziel
(Fragestellung). Bei der Wahl der Parameter, des Brandverlaufs und der Brandorte ist darauf zu
achten, dass sie nachvollziehbar (Literatur-/ Quellenangabe) und konsistent ist, siehe hierzu
insbesondere die Ausführungen in Kapitel 4.
Bis zur FDS Version 5.5.3 wird als Brennstoff Propan verwendet, wenn die Brandeigenschaften
nicht spezifiziert werden. Propan ist aber aufgrund des hohen Heizwertes und der niedrigen
Rußausbeute als Brandlast im Allgemeinen ungeeignet.
Löschmaßnahmen und automatische Löschanlagen sind Bestandteil des Brandszenariums.
Grundsätzlich lassen sich auch Löscheffekte durch die Eingabe von Sprinklern berücksichtigen.
Da dies jedoch noch Gegenstand aktueller Forschungen ist, ist es ratsam, Löscheffekte bei der
Definition des zeitlichen Verlaufes der Wärmeenergiefreisetzungsrate zu berücksichtigen und
nicht durch die Definition von Sprinklern.
Um die Kühlwirkung von Löschanlagen auf Oberflächen zu berücksichtigen können
Sprinklereigenschaften mit Hilfe der Funktion &PROP spezifiziert werden. Einzelne Sprinkler
werden als punktförmige Einheit (&DEVC) platziert.
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6 Auswertung
6.1 Grundsätzliche Kontrollen und Plausibilitätsüberprüfung der Modellierung
Es ist durch den Anwender darzulegen, dass die Anwendungsgrenzen und dem Modell zu
Grunde liegenden Annahmen von FDS (vgl. FDS User Guide [FDSUser2013]) in der
durchgeführten Simulation eingehalten werden. Weiterhin ist darzustellen, dass die gewählten
individuellen Parameter der Simulation ausreichen, um die nachzuweisende Situation
abzubilden und entsprechende Schutzziele auf der sicheren Seite liegend nachzuweisen.
Zur Kontrolle der gewünschten Energiefreisetzung ist in jedem Fall der zeitliche Verlauf der
simulierten Energiefreisetzung abzugleichen. Diese findet sich in der entsprechenden csv-
Ausgabe von FDS. Beim Import in ein Tabellenkalkulationsprogramm ist auf eine richtige
Formatkonvertierung zu achten (1000er-Trennzeichen, Dezimaltrennzeichen). Die Ursachen für
große Abweichungen liegen in der Regel in unterventilierten Bränden oder Eingabefehlern.
Grundsätzlich sind auch alle Ventilationsrandbedingungen (VENTs/HOLEs) auf Lage und
zeitliche Ansprache im Ergebnis zu kontrollieren. In jedem Fall sind alle Zu- und
Abluftöffnungen mit Ausgabegrößen des Massestroms zu versehen, damit alle Daten zur
Erstellung einer Massebilanz vorliegen.
Über Temperaturslices durch jeden Brandort sind die Plume-Temperaturen auf Plausibilität zu
prüfen. Bei „Sommer- / Winterfall“-Rechnungen sind Temperaturen über Mesh-Grenzen und an
Öffnungen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Temperaturen auszuwerten und zu
beurteilen.
Die Machzahl als Verhältnis von Strömungsgeschwindigkeit zu Schallgeschwindigkeit
(temperatur- und druckabhängig) sollte gemäß FDS User Guide kleiner als 0,3 sein
[FDSUser2013]. Eine Machzahl von nicht mehr als 0,1 entspricht bei Normalbedingungen einer
Strömungsgeschwindigkeit von weniger als 30 m/s, die deutlich über den im Allgemeinen zu
erwartenden Strömungsgeschwindigkeiten liegt. Unabhängig davon sollte zur
Plausibilitätsprüfung die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit zusammen mit der
Strömungsrichtung betrachtet werden, wobei insbesondere Bereiche mit hohen
Geschwindigkeiten zu überprüfen sind.
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6.2 Schutzzielbezogene Ergebnisausgaben
In Abhängigkeit des nachzuweisenden Schutzziels sind Gas- oder Bauteiltemperaturen im
zeitlichen Verlauf zu betrachten und auszuwerten. Situationsabhängig ist die Ausgabe über
Devices, Boundary-Files oder Slices abzuwägen.
Die Rauchausbreitung zusammen mit der Ausbildung von Rauchgasschichten und raucharmen
Schichten insbesondere im Zusammenhang mit sogenannten Entrauchungsnachweisen kann
mit Hilfe der Rußkonzentration dargestellt werden. Die Rußkonzentration wird mit Hilfe des
spezifischen Extinktionskoeffizienten und der Konstante C (beide Parameter sind zu definieren)
in den Extinktionskoeffizienten / die Optische Dichte und in eine (lokale) Erkennungsweite
umgerechnet (siehe Abschnitt 4). Im Vorfeld kann mit den Projektbeteiligten abgestimmt
werden, in welcher Form die Rauchausbreitung / Rauchverteilung dargestellt werden soll:
Rußkonzentration, Extinktionskoeffizient, optische Dichte oder Erkennungsweite.
6.3 Datenaufzeichnung
Bei der numerischen Simulation mit FDS wird in jedem Zeitschritt für jeden Gitterpunkt ein voller
Satz der Variablen (Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Dichte, Konzentrationen, …)
berechnet. Zusätzlich werden Wärmeströme, Temperaturen auf Oberflächen, die Wärmeleitung
und Temperaturverteilung (1-dimensional) in Körpern bestimmt. Aus dieser Vielzahl von Daten
müssen die für die Auswertung und zur Beantwortung der jeweiligen Fragestellung(en)
relevanten Werte herausgefiltert und die Datenaufzeichnung gesteuert werden. Unabhängig
vom Nachweisziel muss jede Simulation ein Mindestmaß an Ausgabegrößen zur
Plausibilitätskontrolle des Gesamtsystems enthalten. Zusätzlich sind schutzzielabhängig
weitere Ausgaben zu definieren. Die entsprechenden Befehle zur Datenaufzeichnung müssen
in die Eingabedatei eingearbeitet werden.
Einerseits wird die Erfassung aller Daten einer Simulation die technischen Möglichkeiten in
vielen Fällen überfordern und deren Sichtung/Auswertung aus Zeitgründen nicht möglich sein.
Andererseits können einmal vergessene Daten im Allgemeinen nur durch Wiederholung der
Simulation wiedergewonnen werden. Daher muss die Datenaufzeichnung als Grundlage für die
Auswertung und Dokumentation im Vorfeld sorgfältig geplant werden.
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Anmerkung: Im Allgemeinen sollte bei der Darstellung der Ergebnisse eine geeignete Skala
gewählt werden, wobei gegebenenfalls vorgegebene Grenzwerte innerhalb der Skala nicht zu
nah am oberen oder unteren Rand liegen sollten (Z.B. Rußkonzentration 0 - 100 mg/m³,
Optische Dichte 0 - 0,5 m-1 zum Nachweis raucharmer Bedingungen).
6.3.1 Strömungsfeld zusammen mit Rauch- und Wärmeausbreitung
Über das Strömungsfeld zusammen mit der Temperaturverteilung und der Verteilung von
Rauch (Rußkonzentration, Extinktionskoeffizient oder Optische Dichte) lassen sich wesentliche
Aussagen zur Rauch- und Wärmeausbreitung gewinnen. Anhand des Strömungsfelds kann
man am ehesten Fehler bei der Eingabe der Geometrie und der strömungstechnischen
Randbedingungen identifizieren.
Zur Kontrolle des Strömungsfelds sind insbesondere die Geschwindigkeitsprofile des zu
untersuchenden Systems auszugeben. Diese werden mit Vector-Slices durch die Brandorte,
Zu- und Abluftöffnungen sowie an ausgezeichneten Orten der Raumgeometrie bei
Umströmungen von relevanten Bauteilen (Galerien, Stürze etc.) und Einbauten (Mobiliar etc.)
aussagekräftig dargestellt.
Hier ist insbesondere die Skalierung des Geschwindigkeitsprofils zu beachten. In jedem Fall
müssen alle Geschwindigkeitsspitzen im Strömungsfeld identifiziert werden können. Hierzu
kann die Ausgabe der Extremwerte hilfreich sein. Um einen ersten Überblick über das
Strömungsfeld zu erhalten, wird empfohlen, durch das Zentrum der Brandquelle jeweils eine
Schnittfläche (Slice-File) in x- und y-Richtung zu legen sowie diese durch hierzu parallele
Schnittflächen zu ergänzen. Ebenso ist eine ausreichende Anzahl von horizontalen
Schnittflächen erforderlich. Die Betrachtungsweise minimaler und maximaler Werte in
Smokeview kann auch für die Auswertung anderer Berechnungsgrößen sinnvoll sein.
6.3.1.1 Plot3D
Im Plot3D Data Dump (Speicherausdruck) werden im einstellbaren Zeitintervall fünf Variablen
(Temperatur, Geschwindigkeit in x-, y- und z- Richtung und Wärmefreisetzungsrate pro
Einheitsvolumen) standardmäßig für jeden Gitterpunkt ausgegeben (&DUMP). Die Variablen
können unter Smokeview als horizontale oder vertikale Verteilung oder als sogenannte Iso-
Surfaces dargestellt werden. Aus den drei Geschwindigkeitskomponenten wird zusätzlich das
Vektorfeld der Strömungsgeschwindigkeit berechnet, das ebenfalls in horizontalen und
vertikalen Schnitten dargestellt werden kann.
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Bei Fragestellung bezüglich der Rauchausbreitung im Rahmen von Entrauchungsnachweisen
kann es sinnvoll sein, als fünfte Variable die Rußkonzentration (soot density) oder
gegebenenfalls eine daraus abgeleitete Größe (Extinktionskoeffizient als Produkt aus
Rußkonzentration und spezifischen Extinktionskoeffizienten K, Optische Dichte OD=K/2,3)
einzusetzen. Die Erkennungsweite (VISIBILITY) als Verhältnis einer empirisch bestimmten
Konstanten und des Extinktionskoeffizienten (S=C/K) ist für die Darstellung der
Rauchausbreitung im Allgemeinen ungeeignet (siehe Kapitel 4.3).
Dabei wird davon ausgegangen, dass Bereiche in denen ein Grenzwert für das entsprechend
formulierte Schutzzielkriterium überschritten wird, in der Rauchschicht und Bereiche in denen
die Grenzwerte unterschritten sind, in der raucharmen Schicht liegen.
Bereiche mit Extinktionskoeffizienten über diesem Grenzwert werden als verraucht betrachtet.
Grenzwerte und weitere Schutzzielkriterien für den Extinktionskoeffizienten finden sich in der
Literatur (z.B. vfdb-Leitfaden [VFDB2009]).
6.3.1.2 Slices
Bewegte ebene Schnitte (&SLCF) können zusätzlich für einzelne Variablen (z.B.
Rußkonzentration, Temperatur) in besonders interessanten Bereichen definiert werden, da z.B.
die zeitliche Abfolge der Rauchausbreitung oder die Entwicklung der Strömung an Öffnungen in
Smokeview als „Trickfilm“ dargestellt und die Bildfolgen einfach exportiert werden können.
Anmerkung: Grundsätzlich ist zu beachten, dass aufgrund der Mittelung bzw. Glättung bei der
graphischen Darstellung in Smokeview die dargestellten Werte nicht exakt den berechneten
Werten entsprechen.
6.3.1.3 Iso-Surfaces
Flächen gleichen Wertes (z.B. Temperatur, Rußkonzentration, Optische Dichte) können für alle
Variablen der Gasphase mit Hilfe der Funktion &ISOF erfasst werden. Vergleichbar zu den
„Slices“ lässt sich die zeitliche Entwicklung dieser Flächen in Smokeview als „Trickfilm“
darstellen und die Bildfolgen einfach exportieren.
6.3.1.4 Smoke3D
Die über die Smoke3D-Funktion erfasste und in Smokeview als „Trickfilm“ abspielbare zeitliche
Veränderung der Rauchverteilung stellt ein Hilfsmittel für die Veranschaulichung der
Rauchausbreitung dar. Im Rahmen eines Entrauchungsnachweises ist diese Darstellung aber
nicht zu verwenden, da der Zusammenhang mit physikalischen Größen unbekannt ist.
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6.3.2 Devices
Neben Sprinklern oder Detektoren (Rauchmelder, Wärmemelde, etc.) werden auch Sensoren
mit Hilfe von Devices definiert. Diese Sensoren können neben der Datenaufzeichnung auch zur
Steuerung eingesetzt werden. Die in csv - Dateien abgelegten Werte lassen sich in
Tabellenkalkulationsprogrammen nachbearbeiten und als Diagramme darstellen.
Bei der Auslegung von Entrauchungsmaßnahmen sollte über entsprechend definierte Sensoren
der Massenstrom zusammen mit der Temperatur und/oder der Volumenstrom durch
Rauchabzugs- und Zuluftöffnungen, zur Kontrolle auch an Auslässen oder Ansaugstellen bei
maschineller Zu- oder Abluft, erfasst werden. Hieraus lassen sich vielfältige Aussagen zur
Wirkungsweise und Effizienz der entsprechenden Rauchabzugs- und Zuluftöffnungen ableiten.
6.3.3 Oberflächen und Körper
Für die Erfassung der Vorgänge auf Oberflächen von Hindernissen (z.B. Bauteile, Brandlasten)
ist die Funktion &BNDF (z.B. Wärmestromdichte, Temperatur) geeignet. Über &PROF kann z.B.
das Temperaturprofil innerhalb eines Körpers erfasst werden.
6.4 Darstellung der Ergebnisse
Die Ergebnisse müssen auf die jeweilige Fragestellung(en) bezogen übersichtlich und
nachvollziehbar dargestellt werden. Beispielsweise kann anhand von Bildfolgen von Schnitten
mit der vertikalen Verteilung der Temperatur bzw. der Rußkonzentration die Lage der Heißgas-
bzw. Rauchgasschicht verdeutlicht werden.
Strömungstechnisch wichtige Details - z.B. die Geschwindigkeitsverteilung hinter einer
Zuluftöffnung - können mit Hilfe von Vector-Slices dargestellt werden. Die über Sensoren
(&DEVC) aufgezeichneten Werte können in Diagrammen vergleichend gezeigt werden.
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7 Dokumentation der Simulation und der Ergebnisse
7.1 Textliche und graphische Darstellung
Eine vollständige Dokumentation einer durchgeführten Brandsimulation mit FDS erfordert einen
ausführlichen Bericht. Nachfolgend ist eine mögliche Gliederung mit wesentlichen inhaltlichen
Stichpunkten dargestellt:
Anlass und Auftrag
Fragestellung, Ziel der Untersuchung, ggf. baurechtliche Anforderung,
Begründung für die Verwendung von FDS und Aussage über die Eignung des Programmes
und die verwendete Programmversion
Verwendete Unterlagen
Planunterlagen
Brandschutzkonzept
FDS User, Verification und Validation Guides [FDSVER2013][FDSVAL2013]
Literatur
Grundlagen
Kurzbeschreibung von FDS
Ableitung von Bemessungs- / Schutzziel(en), einschließlich einer Quantifizierung des
Schutzziels als Bewertungskriterium
Verwendete Version (Versionsnummer, seriell, mpi, openmp), ggf. Betriebssystem
Darstellung der Randbedingungen für die Simulation
Beschreibung des Gebäudemodells, inkl. möglicher Abweichungen/Vereinfachungen
Brandverläufe, Brandorte und Brandeigenschaften
Rauch- und Wärmeabzugsmaßnahmen, Lüftung
Zeitliche Interaktion von Brandschutzmaßnahmen, ggf. Steuerungslogik und
Steuerzeitpunkte
Szenarien
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Beschreibung der verwendeten Materialparameter (Schichtdicken, Wärmeleitfähigkeit,
Wärmekapazität, Dichte, Emissionsgrad)
Beschreibung der verwendeten Zellgröße
Darstellung der Messpunkte/-ebenen für die Auswertung im Grundriss/Schnitt
Tabellarische Auflistung der zu untersuchenden Szenarien mit den jeweils relevanten
Parametern
Ergebnis
Verwendete Skalen (mit Bezug auf Bemessungs-/Schutzziele)
Ergebnisse für einzelne Szenarien inklusive Bilder, Diagramme mit Bewertung
Vergleichende Darstellung mehrerer Szenarien inklusive übergreifender Bewertung
Auflistung von Szenarien mit den relevanten Parametern und Ergebnissen
Darstellung der Ergebnisse mittels geeigneter Diagramme und/oder Abbildungen (mit
Angabe der Einheiten) für den zeitlichen Verlauf
Prüfung der Eingabeparameter und kritischer Ergebnisse
Bewertung der Ergebnisse unter Berücksichtigung der Genauigkeit bzw. Unsicherheit der
Eingabeparameter
Plausibilitätskontrollen
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Antworten auf die vorgegebene Fragestellung,
Ggf. Ableitung von Anforderungen (z.B. brandschutztechnische Infrastruktur, Auslegung
von Entrauchungsmaßnahmen)
Die Wahl / Vorgabe der Randbedingungen ist plausibel und nachvollziehbar zu begründen.
Aussagen zu Ergebnissen der numerischen Simulationen müssen anhand von Darstellungen
(Bilder, Diagramme, Tabellen) plausibel belegt werden. Anhand der Darstellungen müssen die
Aussagen und Schlussfolgerung nachvollzogen werden können.
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7.2 Tabellarische Zusammenfassung der Randbedingungen
Die Anfangs- und Randbedingungen der durchgeführten CFD-Berechnung(en) mit FDS können
zusätzlich in einer tabellarischen Auflistung zusammengefasst werden (z.B. Datenblatt VDI
6019 Blatt 2). Die tabellarische Zusammenfassung kann einem ausführlichen Bericht als Anlage
beigefügt werden.
Nachfolgend ist ein grobes Gliederungsbeispiel einer solchen Tabelle dargestellt. Die zu den
einzelnen Unterpunkten aufgeführten Parameter sollen hierbei nur einen Hinweis auf die Art der
Angaben geben und sind keinesfalls als vollständig anzusehen. Die Tabelle ist damit je nach
Anforderung zu erweitern oder zu kürzen.
Aufgabenstellung
Objektbeschreibung
Beschreibung der/des Schutzziele/-s
Angaben zum Programm
Programmdaten (Name, Version, Betriebssystem, Systemart, Hersteller)
Modellparameter
Modellbeschreibung (Interaktionsablauf, Simulationszeitraum)
Netz (Art, Kantenlänge, Anzahl Gitter und Gitterzellen, Ausmaße Modellraum)
Physikalischen Modelle (Turbulenzmodell, Strahlungsmodell, Verbrennungsmodell)
Randbedingungen (Innen-/ Außentemperatur, Strömungsfelder)
Brandquelle
Beschreibung (Art, Position, Abbrandfläche)
Parameter (Wärmefreisetzungsrate, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Strahlungsanteil)
Abbrandmodell (Zusammensetzung, Abbrandgeschwindigkeit, CO –/ Rußausbeute)
Bauteile
Beschreibung (Art, Materialität)
Materialparameter (Bauteilstärke, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte)
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Öffnungen
Zuluft (Art, Position, Fläche, Interaktionsverlauf)
Abzug (Art, Position, Fläche, Interaktionsverlauf)
Maschinelle Zuluft/Entrauchung (Art, Position, Anlagenparameter, Interaktionsverlauf)
Anlagentechnik
BMA (Art, Interaktionsverlauf)
Löschanlage (Art, Interaktionsverlauf)
Rauchschutzvorhänge (Position, Interaktionsverlauf)
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8 Literaturverzeichnis
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K.: Fire Dynamics Simulator (Version 6) - Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical
Model. NIST Special Publication 1018-6, National Institute of Standards and Technology, 4.
November 2013.
[FDSUSER2013] McGrattan K., Hostikka S., McDermott R., Floyd J. Weinschenk C., Overholt
K.: Fire Dynamics Simulator (Version 6) – User’s Guide. NIST Special Publication 1019-6,
National Institute of Standards and Technology, 4. November 2013.
[FDSVAL2013] McGrattan K., Hostikka S., McDermott R., Floyd J., Weinschenk C., Overholt K.:
Fire Dynamics Simulator (Version 6) – Technical Reference Guide Volume 3: Validation. NIST
Special Publication 1018-6, National Institute of Standards and Technology, 4. November 2013.
[FDSVER2013] McGrattan K., Hostikka S., McDermott R., Floyd J. Weinschenk C., Overholt K.:
Fire Dynamics Simulator (Version 6) - Technical Reference Guide Volume 2: Verification. NIST
Special Publication 1018-6, National Institute of Standards and Technology, 4. November 2013.
[GRE2012] Grewolls, K. und Grewolls, G: Praxiswissen Brandschutz - Simulationen: Schneller
Einstieg und kompaktes Wissen. Feuertrutz Verlag, 2012.
[JIN2002] Jin, T.: Visibility and Human Behavior in Fire Smoke, SFPE Handbook of Fire
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gewährleistendes Mass, Forschungsstelle für Brandschutztechnik, Universität Karlsruhe (TH),
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[MGO2013] Münch M., Gerber S., Oevermann M.: Analyse von verschiedenen Verbrennungs-
modellen im Hinblick auf Brandsimulationen in praktischen Geometrien, 3. Magdeburger Brand-
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[VIS2012]: Möglichkeiten zum Ansatz und zur Modellierung von Bränden und Brandszenarien in
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9 Vortragsübersicht aller Treffen der FDS Usergroup
1. Anwendertreffen in Berlin (07.03.2008)
[A1-01] Anwendung von FDS im Rahmen brandschutztechnischer Nachweise – Erfahrungen,
Grenzen und Herausforderungen – Jochen Zehfuß
[A1-02] Optimierung der Parallelisierungsstrategien von FDS – Cluster-Architektur bei hhpberlin
– Susanne Kilian
[A1-03] Parallelrechnung in der Praxis - Ist FDS 5 wirklich „besser“ als FDS4? – Christian
Rogsch
[A1-04] Vergleich FDS 4 vs. FDS 5 und die daraus resultierende Varianz bei
Bauteiltemperaturen bzw. der Strahlungsintensität – Boris Stock, Karl Wallasch
[A1-05] Weiterentwicklung von FDS hinsichtlich der dreidimensionalen Wärmeleitung in
Bauteilen – Andreas Vischer
[A1-06] Ausgewählte Szenarien zur Fehleranalyse der Rechenergebnisse aus FDS – Brand-
und Rauchausbreitungssimulationen für die Versionen 4.0 und 5.0 – Dimitrios Toris
[A1-07] Verifikation und Validierung bei der Softwareentwicklung – Warum Vergleiche mit
Brandversuchen nicht ausreichen – Matthias Münch
[A1-08] Vergleichsrechnungen zwischen einem Realbrandversuch (Straßenbahn) und einer
FDS Simulation – Klaus Veenker
[A1-09] Vergleich verschiedener CFD-Modelle – Anwendungsgebiete von CFX und FDS –
Martin Steinert
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2. Anwendertreffen in Berlin (04. – 05.12.2008)
[A2-01] Sensitivitätsuntersuchungen zur FDS-Validierung anhand einfacher
strömungstechnischer Standardfälle Boris Stock – Karl Wallasch
[A2-02] Parameterstudie zur Modellierung von Brandszenarien mit Zonen und Feldmodell im
Vergleich zu dem Brandmodell der DIN 18232-2 – Sebastian Metzger
[A2-03] Ingenieurmäßige Anwendung von FDS am Beispiel einer Halle – Jürgen Will
[A2-04] FDS Simulation (FDS 5.2.0), Sprinkleranlage, Hochregallager(HRL) – Christian Kohler
[A2-05] Erfahrungsbericht über Aufbau und Pflege verschiedener Clustersysteme bei hhpberlin
– Martin Steinert
[A2-06] Performance-Vergleich von Linux- und Windows-Clustersystemen / FDS-
Parallelisierungs-benchmark – Susanne Kilian
[A2-07] FDS+EVAC – Verifizierung und Anwendung – Gregor Jäger
[A2-08] Methodik zur vergleichenden Bewertung von Zeitreihen Volker Hohm – Christoph
Klinzmann
[A2-09] Nachrechnungen der McCaffrey-Experimente / Variation von Gitterweite und
Smagorinsky-Zahl – Dimitrios Toris
[A2-10] Iterative Gebietszerlegungskonzepte für den FDS-Drucklöser zur Stärkung der globalen
Kopplung – Susanne Kilian
[A2-11] Ist eine Gebietszerlegung in mehrere Gitter bei FDS-Rechnungen zulässig? – Matthias
Münch
[A2-12] In FDS integriertes Submodell zur Berechnung der dreidimensionalen instationären
Wärme-leitung in Bauteilen – Andreas Vischer
[A2-13] FDS und OpenMP – Christian Rogsch
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3. Anwendertreffen in Berlin (29. – 30.10.2009)
[A3-01] Simulation von Atriumbränden, Ringvergleich und Parameterstudie – Volker Schneider
[A3-02] Comparison of numerical simulations with large scale experiments (blind simulations) –
Xavier Deckers
[A3-03] Qualitätssichernde Kriterien bei der Anwendung von FDS: Untersuchungen zum
Einfluss der Modellierung und Diskretisierung von natürlichen Rauchabzugsanlagen – Boris
Stock, Karl Wallasch
[A3-04] Mechanische Entrauchung – Markus Kraft
[A3-05] Strahlung, Wärmeübergang, Einfluss von Bauteilen – Florent Lushta
[A3-06] Brandherdmodellierung – Klaus Veenker
[A3-07] Vergleich von FDS und Star CCM+ anhand des Steckler Room Fires – Sebastian
Metzger
[A3-08] Sprinkler und Nozzles in FDS-Simulationen – Benjamin Kloss
[A3-09] Dokumentation von CFD-Studien – Oliver Krüger
[A3-10] Korrektur der Vergleichsgrundlagen bei der Validierung des Fire Dynamic Simulator
(FDS) durch die Mc Caffrey-Versuche – Michael Grünewald
[A3-11] Verifikation und Validation des neuen Sub-Modells zur Berechnung der 3-D
Wärmeleitung in Bauteilen – Nachrechnung von Brandversuchen – Andreas Vischer
[A3-12] Richtig schnell rechnen – Vorstellung einer neuen Initiative – Matthias Münch
[A3-13] FDS-ScaRC: Ein optimierter Parallelisierungsansatz für die FDS-Druckgleichung auf
Basis adaptiver Gittervernetzungstechniken – Susanne Kilian
[A3-14] FDS und OpenMP – Erfahrungen bei der Entwicklung – Christian Rogsch
[A3-15] Auswirkungen der Zellgröße auf den aerodynamisch wirksamen Querschnitt – Thomas
Kolb
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[A3-16] Parameterstudie zur Modellierung von Entfluchtungsszenarien im Rahmen einer
Sicherheits-analyse für Seilbahnen – Gregor Jäger
[A3-17] Building Information Model (BIM) basierte Evakuierungssimulation – Puyan
Abolghasemzadeh
1. Workshop der Arbeitsgruppe NRW in Aachen (24. – 25.06.2010)
[W1-01] Übertragung vom Geometrie-Informationen aus CAD-Dateien in FDS-Inputfiles –
Stephan Derkowski
[W1-02] Plumesimulationen an Wänden - Einflussgrößen und Erkenntnisse – Ralf Galster
[W1-03] Entrauchung in der Schweiz und CFD-Vergleichsberechnungen FDS/CCM+ – Jörg
Kasburg
[W1-04] Untersuchung von Glasbauteilen in Bezug auf den Temperatur- und
Strahlungsdurchgang mit FDS – Markus Kraft
[W1-05] Vergleich physikalischer und rechnerischer Modellierungsmethoden und derer
Anwendungsbereiche sowie eventueller Grenzen - Vorstellung des Modellversuchs – Wilfried
Mertens
[W1-06] Einflüsse von unterschiedlichen Berechnungsstrategien und äußeren
Randbedingungen auf die Berechnungsergebnisse von FDS – Andreas Müller
[W1-07] Entwicklung von FDS - Ein Überblick – Christian Rogsch
[W1-08] Gestern, Heute, Morgen und Übermorgen – Georg Spennes
[W1-09] Untersuchungen zu Modellierungen von Rauchabzügen in FDS – Boris Stock und Karl
Wallasch
[W1-10] Ergebnisse des Modellversuchs – I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH
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4. Anwendertreffen in Berlin (04. – 05.11.2010)
[A4-01] Welche aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche ist „richtig“? – Jürgen Will
[A4-02] Rekonstruktion eines Zimmerbrandes aufgrund des Spurenbildes unter Anwendung des
Feldmodells „Fire Dynamics Simulator“ (FDS) – Michael Pulker
[A4-03] Skalierbarkeit von Clustersystemen – Martin Steinert, Stefan Truthän
[A4-04] Rückblick zum 1. Workshop der FDS-Usergroup Arbeitsgruppe NRW vom 24.–25. Juni
in Aachen – Christian Rogsch
[A4-05] Vorstellung der durchgeführten Brandsimulation zur natürlichen Entrauchung einer
Industrie-halle mittels eines physikalischen Modells zur Vergleichsrechnung mit FDS – Andreas
Müller
[A4-06] Qualitätssichernde Kriterien bei der Anwendung von FDS: Ein Kurzbericht zum
aktuellen Stand der Simulation isothermer Freistrahle – Gregor Jäger
[A4-07] Qualitätssichernde Kriterien bei der Anwendung von FDS: Untersuchungen zum
Einfluss diverser Parameter bei der Strömungssimulation in einem „Annex 20 Raum“ – Boris
Stock
[A4-08] Wärmeübertragung auf und in Bauteilen – neue Modelle in FDS – Andreas Vischer
[A4-09] Berücksichtigung von abwehrenden und anlagentechnischen Maßnahmen in
Bemessungs-bränden – Christoph Klinzmann
[A4-10] Analysis of turbulent fluctuations in a 1/3 scale room corner using FFT – Bjarne Husted
[A4-11] Gegenwärtiger Stand des Konzeptes zur Eignungsprüfung des Fire Dynamics
Simulators – Matthias Münch
[A4-12] Numerische Vergleichsrechnungen zur Verifikation des optimierten parallelen FDS-
Druck -lösers ScaRC – Susanne Kilian
[A4-13] Versuch zum Aufstellen von Energiebilanzen gesprinklerter Szenarien mit FDS 5 –
Manuel Kitzlinger
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[A4-14] Analyse des Einflusses der C, H, O, N-Werte auf den soot-yield sowie die Relevanz des
Luftverbrauchs – Sebastian Metzger
[A4-15] Nachrechnung von Brandversuchen mit FDS/ANSYS – Dimitrios Toris
2. Workshop der Arbeitsgruppe in Erkelenz (14. – 15.7.2011)
[W2-01] Theoretische Grundlagen in FDS hinsichtlich des Wärmeübergangs auf Bauteile –
Christian Rogsch
[W2-02] Durchführung und Auswertung von FDS-Berechnungen zur Bestimmung von
raucharmen Schichthöhen im Rahmen einer Round-Robin-Testreihe der FDS-Usergroup –
Mesuda Ramic
[W2-03] Auswirkung der Größe der Berechnungszellen auf die aerodynamische Wirksamkeit
von natürlichen Rauchableitungsöffnungen bei der Simulation mit FDS – Andreas Müller
[W2-04] Bemessung von natürlichen Rauchabzugsanlagen im Industriebau - Vergleich der DIN
18232-2:2007-11 mit dem Rheinland-Pfalz-Papier durch Anwendung eines computergestützten
Simulationsverfahrens – Paul Häringer
[W2-05] Plumesimulationen an Wänden, Teil 2 - Vergleich zweier gängiger CFD-Programme
(FDS und Kobra3D) – Ralf Galster
[W2-06] Ergebnisvergleich Realbrand, Modellversuch, Simulationsrechnung am Beispiel eines
Vortragssaals – Wilfried Mertens
[W2-07] Vorschlag für die Dokumentation der wesentlichen Anfangs- und Randbedingungen bei
der Brandsimulation mit FDS – Oliver Krüger/Boris Stock
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5. Anwendertreffen in Berlin (10. – 11.11.2011)
[A5-01] Auswirkungen der Zellgröße auf den aerodynamisch wirksamen Querschnitt -
Ergebnisse einer Parameterstudie mit unterschiedlichen Druckdifferenzen – Thomas Kolb
[A5-02] FDS-Simulationen richtig auswerten – Christian Kohler
[A5-03] Integration von numerischer Brandsimulation in die digitale Gebäudemodellierung für
die Anwendung im Einsatzfall Umgebungsbedingte und verhaltensabhängige mikroskopische
Entfluchtungsanalyse basierend auf BIM und FDS – Puyan Abolghasemzadeh
[A5-04] Erfahrungsbericht bei der Handhabung von FDS-EVAC im Vergleich zu ASERI –
Jürgen Will
[A5-05] Sicherstellung eines Zuganges für die Feuerwehr in einstöckigen, ungesprinklerten
Industrie-gebäuden mit Dachöffnungen – Tim McDonald
[A5-06] Comparison of inert Shaft Fire Experiment and CFD Modelling in FDS5/6 – Bjarne
Husted
[A5-07] Vergleichende Anwendung von FDS+Evac in den FDS-Versionen 5 und 6 – Gregor
Jäger
[A5-08] Ein Beitrag zur Simulation druckbelüfteter Treppenräume – Boris Stock
[A5-09] Wärmeübertragung auf und in Bauteilen bei Brandsimulationen mit FDS – Andreas
Vischer
[A5-10] Wärmestrahlung in FDS: Wärmt es noch oder brennt es schon? – Matthias Münch
[A5-11] Wie genau müssen Brandparameter sein? Probabilistische Analyse der Sensitivität von
Brandsimulationen auf Basis des Latin-Hypercube-Samplings – Kathrin Grewolls
[A5-12] Vergleichsrechnungen mit FDS im Rahmen der Normungsarbeit der DIN 18230-4 –
Christoph Klinzmann
[A5-13] Optimierung der FDS-Drucklösung auf Basis algebraischer Mehrgittermethoden –
Susanne Kilian
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3. Workshop der Arbeitsgruppe NRW in Köln (28. – 29. 6 2012)
[W3-01] 2-tägiger Workshop für die Ausarbeitung des FDS-Leitfadens
6. Anwendertreffen in Berlin (15. – 16.11.2012)
[A6-01] Nachweise der Personensicherheit mit FDS – Burkhard Forell
[A6-02] Bestimmung von Sicht- und Erkennungsweiten im Rahmen einer CFD-Analyse – Volker
Schneider
[A6-03] Möglichkeiten zum Ansatz und zur Modellierung von Bränden und Brandszenarien in
FDS – eine Diskussionsgrundlage – Andreas Vischer
[A6-04] Die Brandsimulation: Zwischen Glaskugel und Wissenschaft? – Matthias Münch
[A6-05] Validierungsrechnungen für ANSYS CFX und FDS anhand eines spezifischen
Brandszenarios – Ulrich Krause
[A6-06] Use of alternative sub grid turbulence models in FDS – Bjarne Husted
[A6-07] Die FDS-Drucklösung im numerischen Visier: Eingabegrößen, Genauigkeit und
Skalierbarkeit – Susanne Kilian
[A6-08] Einführung in das FireModeler Framework: Motivation, Konzeption und Visionen – Björn
Schünke
[A6-09] FireSim – Das Werkzeug für den Brandschutzingenieur – Stefan Truthän
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4. Workshop der Arbeitsgruppe NRW in Karlsruhe (27. – 28.6.2013)
[W4-01] Rückblick auf den ersten Versuch mit dem Versuchskörper - Modellberechnungen zum
Brandversuch in Erkelenz – Andreas Meunders, Bergische Univ. Wuppertal
[W4-02] Objektbezogene Bewertung der Novelle zur IndBauRL durch Betrachtung der
Entrauchung im Brandfall – Daniel Mohr, Ingenieurbüro Riesener GbR
[W4-03] Bestimmung von Oberflächentemperaturen - CFD-Simulation und Experiment – Volker
Schneider, IST GmbH
[W4-04] Nachweis eines RDA-unterstützten Entauchungskonzepts mittels Brandsimulation und
Warmrauchversuchen – Sebastian Metzger, Gruner AG
[W4-05] Modelluntersuchungen zum Strömungsfeld in Tiefgaragen bei Leckagen
gasbetriebener Fahrzeuge – Kiyoshi Makabe und Mary Weigand, Forschungsstelle für
Brandschutztechnik
7. Anwendertreffen in Berlin (14. – 15.11.2013)
[A7-01] Fire simulation manager – intelligente Verwaltung von FDS-Brandsimulationen – Sirko
Höer
[A7-02] Werkzeuge des Brandschutzingenieurs aus der Cloud – Ein Statusbericht – Stefan
Truthän
[A7-03] Fire analytics – Einsatz moderner software-technologien zur Auswertung von FDS
Daten – Sascha Gottfried
[A7-04] Simulation of the activation of pressure line detectors placed under roof eaves and
Comparison with experimental data – Bjarne Husted
[A7-05] Vorstellung der Ergebnisse des Arbeitskreises‚ aerodynamisch wirksamer Querschnitt –
Thomas Kolb
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[A7-06] Brandversuch an der FFB in Karlsruhe – Versuchsauswertung und Gegenüberstellung
der Simulationsergebnisse – Andreas Meunders
[A7-07] Untersuchung der Prognosefähigkeit von FDS am Beispiel eines Mehrraumszenarios –
Jochen Zehfuß, Matthias Siemon, Olaf Riese
[A7-08] Ermittlung der äquivalenten Branddauer durch Brandsimulation – Gregor Jäger
[A7-09] Glaubwürdige Brandsimulationen – nachweisbar richtig simuliert – Matthias Münch
[A7-10] Wärmestrahlung in FDS 6 – eine Analyse – Andreas Vischer
[A7-11] Vergleichende Betrachtung von FDS 5 und FDS 6 an einem „multi-mesh“-Beispiel –
Jürgen Will
[A7-12] Die FDS-Drucklösung – Einblicke in eine numerische Qualitätssicherung – Susanne
Kilian
