Ein Brandschutzkonzept umfasst mehr als Brandmelder und  Sprinkleranlagen: Um den Schaden im Brandfall möglichst gering zu halten, müssen neben technischen und organisatorischen Mitteln vor allem vorbeugende bauliche Maßnahmen ergriffen werden. Dazu gehört unter anderem das Schaffen kurzer Fluchtwege und sicherer Bereiche - durch die Verwendung von schwer entflammbaren oder nicht brennbaren Materialien sowie Bauteilen mit Feuerwiderstand.

Als allgemeine Grundlage dienen die Landesbauordnungen beziehungsweise die Musterbauordnung (MBO). Dort heißt es in § 14 klar und deutlich: „Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zu ändern und instand zu halten, daß der Entstehung eines Brandes und der Ausbreitung von Feuer und Rauch (Brandausbreitung) vorgebeugt wird und bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren sowie wirksame Löscharbeiten möglich sind.“

Ingenieurmethoden im baulichen Brandschutz

Dipl.-Ing (FH) Kathrin Grewolls vom Ingenieurbüro für Brandschutz Grewolls erklärt, dass es drei Wege gibt, vorbeugenden baulichen Brandschutz nachzuweisen:

• Umsetzung der gesetzlichen Vorgaben im Brandschutz (zum Beispiel aus der Landesbauordnung (LBO) sowie den entsprechenden Sonderbauvorschriften).
• Anwendung der allgemein anerkannten Regeln der Technik (zum Beispiel DIN-Normen).
• Nachweis des Sicherheitsniveaus durch die Anwendung von Ingenieurmethoden im Brandschutz (zum Beispiel Computersimulationen zur Rauchausbreitung, zum Wärmeübergang, Evakuierung,…).

Brandschutzkonzepte wirtschaftlicher gestalten

Wer nur nach den starren Regelwerken vorgeht, verschenkt offenbar Möglichkeiten. Grewolls betont, dass manch ein innovativer Entwurf, der zurückgewiesen werden würde, seine Genehmigungsfähigkeit durch Computersimulationen erreichen kann: Durch den Einsatz von Brandsimulationen und Rauchsimulationen können Brandschutzkonzepte wirtschaftlicher und effektiver gestaltet werden.

In einigen Fällen kann eine Brandsimulation demnach helfen, die Schutzziele auch mit weniger NRA- und/oder Zuluftflächen als in der DIN 18232 angegeben - oder ohne Raumabschnittstrennung -  nachzuweisen. Installations- und Wartungskosten fielen dann geringer aus. Der Nachweis des bauaufsichtlich akzeptierten Sicherheitsniveaus ist dennoch gewährleistet, bestätigt die Brandschutzexpertin. Zudem könnten die Simulationen Antworten auf verschiedene Sachschutzfragen liefern.

Anwendung im Brandschutzkonzept

Mittels Brandsimulation lassen sich wesentliche Faktoren für den Löscheinsatz der Feuerwehr oder Evakuierung und Fremdrettung (etwa bei einer RWA-Dimensionierung) nachweisen. Zum Beispiel

• die Mindesthöhe der raucharmen Schicht
• Rauchfreihaltung der Flucht- und Rettungswege für die Evakuierung (Beispiel Atrium, Versammlungsräume, Sporthallen)
• Feuerwiderstandsdauer von Bauteilen in Gebäuden
• Brandabschnittsgrößen (Beispiel Industriebau, Nachbarschaftsschutz)

Dafür werden die Bedingungen im Brandraum und in den angrenzenden Räumen numerisch berechnet. Dazu zählen die Höhe der raucharmen Schicht, die Temperaturen, die Sichtweite, der CO- und CO2-Gehalt. Hier unterscheidet man zunächst zwischen Zonen- und Feldmodellen.

Zonenmodelle: Berechnung von Schichten

Bei einem Zonenmodell wird der Raum in eine Heißgas- und eine Kaltgaszone sowie die Rauchgassäule („Plume“) virtuell unterteilt. Für jede dieser Zonen und jeden Zeitschritt werden Energie- und Massebilanzgleichungen gelöst. Verschiedene Plumemodelle beschreiben den Verbrennungsvorgang. Die Ergebnisse werden als Mittelwerte in jeder Heißgas-/Rauchgasschicht und Kaltgas-/raucharmen Schicht dargestellt.

Für Zonenmodelle spricht nach der Einschätzung von Grewolls die schnelle Bearbeitung und eine kurze Rechenzeit. Auch eine Studie mit mehrere Varianten (nach veränderten Ausgangsvariablen) ist demnach leicht durchführbar, so dass sich verschiedene Konzepte durchspielen lassen. Die Genauigkeit der Ergebnisse sei für viele Anwendungsfälle ausreichend.

Feldmodelle: Berechnung einzelner Zellen

Bei einem Feldmodell (auch: CFD-Modell von „Computational Fluid Dynamics“) werden die Räume durch ein oder mehrere Gitter in bestimmte Volumen („Zellen“) unterteilt. Zur Erhaltung von Masse, Energie und Impuls werden die Navier-Stokes-Gleichungen zwischen den einzelnen Volumen gelöst. Strömungsvorgänge werden (unter  Berücksichtigung von Turbulenzmodellen) berechnet. Verbrennungsvorgänge werden überwiegend mit dem Mixture-Fraction-Model beschrieben. So können die Ergebnisse in jeder einzelnen Zelle berechnet werden.

Aufwand und Berechnungszeit sind bei einem Feldmodell wesentlich höher und die Auswertung ist entsprechend aufwendiger. Dafür können hier aber Maximalwerte ermittelt werden, das Strömungsfeld wird sichtbar, vielfältige Strukturen sind modellierbar. Kurz: Das Feldmodell arbeitet mit noch kleineren virtuellen „Bausteinen“ als ein Zonenmodell.

Das gehört zu einer Brandsimulation

1. Brandschutzkonzept erstellen (ganzheitlicher vorbeugender Brandschutz! Randbedingungen festlegen, Ziel festlegen)
2. Methode (Zonenmodell, Feldmodell) wählen
3. Modell aufbauen (3D-Geometrie eingeben, Bauteile – Stahlhalle oder Beton, Brandszenario – Was brennt und wo und wird wie gezündet, Ventilationsbedingungen – RWA / Zuluft öffnet über Rauchmelder oder thermische Melder automatisch oder durch Feuerwehr, Umgebungsbedingungen – Winter/Wind)
4. Berechnung
5. Ergebnisauswertung
6. Sensitivitätsstudie (nochmalige Berechnung mit veränderten Variablen – kleine Änderung, aber große Wirkung oder kaum Änderung am Ergebnis)
7. Auswertung, Bewertung
8. Bericht, Dokumentation

Bindung an aktuelle Brandlasten?

Wenn ein Brandschutzkonzept erstellt werden soll, steht man Brandsimulationen mitunter noch skeptisch gegenüber. Weit verbreitet ist zum Beispiel die Ansicht, dass die Berechnungen zu sehr an aktuelle Brandlasten binden. Nach Auskunft von Kathrin Grewolls beruhen die Brandszenarien der Brandsimulation zwar oft auf Brandlastanalysen im Betrieb - dabei wird aber ein Sicherheitsfaktor mit eingerechnet (üblich sind 10 bis 20 Prozent). Die Sensitivitätsanalyse kann außerdem zeigen, welche Auswirkungen die Verarbeitung anderer Brandlasten auf die Höhe der raucharmen Schicht und die Temperaturen hat.