Ingenieurmethoden im Brandschutz - Brandschutztechnische Bemessung mit Hilfe eines CFD-Modells und FE-Berechnungen am Beispiel eines Hallentragwerks

Die Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten einer schutzzielorientierten Brandschutzbemessung mittels Simulationsmodellen (CFD-Modellen), im besonderen am Beispiel einer brandschutztechnischen Bemessung einer Stahlkonstruktion im Hinblick auf ihre Standsicherheit. Im ersten Teil werden die thermodynamische, strömungsmechanischen und wärmetechnischen Grundlagen, sowie der Aufbau von CFD-Modellen erläutert, um dem unsachgemäßen Umgang mit den komplexen Simulationsprogrammen vorzubeugen. Zusätzliche fachspezifische Begriffe sind im Glossar zusammengestellt.

Bislang sind die CFD-Modelle vor allem dann zum Einsatz gekommen, wenn es galt, eine ausreichend rauchfreie Zone nachzuweisen. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie die Anwendung der Ingenieurmethoden im Brandschutz mittels CFD-Modellen für die brandschutztechnische Bemessung der Tragkonstruktion bei Stahlhallen durchgeführt werden kann, um schließlich eine Aussage zu treffen, ob und in wie weit eine solche Bemessung im Vergleich zu der schlichten Ausrichtung an den deskriptiven Normen sinnvoll ist.

Da das Materialverhalten von Stahl stark temperaturabhängig ist, ist eine Beispielrechnung mit diesem Baustoff von besonderem Interesse. Zudem wird untersucht, wie das CFD-Programm FDS (Fire Dynamic Simulator) die Wärme übertragenden Mechanismen Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung abbildet und somit thermische Analysen nicht nur für den gesamten Raum, sondern auch an einzelnen Bauteilen unterstützen kann.

Die zeitabhängige Definition eines Brandes ist einer der wichtigsten Eingabeparameter bei der Verwendung von CFD-Modellen. Aus diesem Grund wird die Aufstellung des Lastfalls „Brand“ durch so genannte Realbrandkurven insbesondere am Beispiel eines Hallentragwerkes erläutert, die als Eingangsgrößen für die CFD-Berechnung dienen. Realbrandkurven eignen sich besonders, wenn vorhandene Ventilationsverhältnisse und auch Änderungen der Randbedingungen (z.B. Zerbersten von Fensterglas) berücksichtigt werden sollen und sich somit ein auf das jeweilige Objekt abgestimmtes Bemessungsbrandszenario erstellen lässt. In der Arbeit werden sinnvolle Vorgehensweisen genannt, wie sich die ermittelten Bemessungsbrände im Programm FDS implementieren, Randbedingungen abbilden und die thermische Beanspruchung der Bauteile ermitteln lassen.

Eine Beleuchtung der Schnittstelle zwischen CFD- und FE-Berechnung gibt Aufschluss, wie Ergebnisse der CFD-Berechnung (zeitliche Temperaturentwicklung) im FE-Programm für die Bemessung der Tragfähigkeit der Bauteile zu berücksichtigen sind. Aus der Brandsimulation mit Hilfe des CFD-Modells lassen sich die Oberflächentemperaturen der Bauteile berechnen, worauf eine mechanische Analyse mit Hilfe eines FE-Programms (hier Marc/Mentat) folgen kann. Bei der mechanischen Analyse kann gezeigt werden, dass sich Tragreserven im Bauwerkssystem durch Umlagerungen aktivieren lassen. So lassen sich – abweichend von den deskriptiven Normen – auch darüber hinausgehende persönliche Schutzziele einhalten.

Besonderes Augenmerk wird hierbei den temperaturabhängigen Materialeigenschaften von Stahl gewidmet. Das nicht-lineare Materialverhalten von Stahl wird in Abhängigkeit von der Temperatur berücksichtigt und plastische Bereiche im Tragwerk werden untersucht. Durch große thermische Verformungen treten hohe Zwangsspannungen auf, die in bestimmten Bereichen zu plastischen Gelenken führen. Das angewendete Nachweisverfahren ist das plastisch-plastische Verfahren, bei dem sowohl die Beanspruchungen als auch die Beanspruchbarkeit und Ausnutzung des Tragwerks nach der Plastizitätstheorie berechnet werden. Die Ermittlung der Tragfähigkeit wird folglich nach der Fließgelenktheorie unter der Ausnutzung plastischer Tragwerksreserven ermittelt. Ein Vergleich mit den deskriptiven Normen der DIN 4102 zeigt klare Vorteile der objektspezifischen Bemessung mittels CFD-Modellen.

Informationen

Fachgebiet: Stahlbau » Stahlhochbau
Hochschule: RWTH Aachen | Prof. Dr.-Ing. Jürgen Güldenpfennig
Grad der Arbeit: Diplomarbeit
Umfang: 131
Note: 1
Abgabedatum: 30.01.2006