Ein Pyrolysemodell zur Prognose der Brandausbreitung

Siemon, Matthias

Ein wesentliches Schutzziel der Landesbauordnungen ist die Verhinderung der Brandausbreitung in einem Gebäude. Weiterhin muss bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren gewährleistet und wirksame Löscharbeiten möglich sein. Zur Sicherstellung dieser Schutzziele fordern die Landesbauordnungen unter anderem die Bildung von Rauchabschnitten, die Verwendung nichtbrennbarer Baustoffe in notwendigen Fluren sowie die Freihaltung notwendiger Flure von Brandlasten. In manchen Fällen können nicht alle Anforderungen erfüllt werden, sodass die Einhaltung der Schutzziele mit Hilfe von Ingenieurmethoden nachgewiesen werden muss. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Pyrolysemodells zur Prognose der Brandausbreitung auf Grundlage der physikalischen Prozesse anstelle der Verwendung von Brandausbreitungsgeschwindigkeiten oder vordefinierten Bemessungsansätzen. Dazu wird zunächst der aktuelle Stand der Forschung hinsichtlich der Beschreibung von Pyrolyse- und Verbrennungsprozessen untersucht. Der Fokus liegt auf der Modellierung der Pyrolyseprozesse von Feststoffen. In einem nächsten Schritt wird ein gekoppeltes Pyrolyse- und Wärmeleitungsmodell entwickelt und in ein existierendes Feldmodell integriert. Die feste Phase kann über einzelne Stoffe beschrieben werden, die wiederum aus einzelnen Materialkomponenten bestehen und in parallel und / oder konsekutiv stattfindenden Zersetzungsreaktionen zu weiteren Materialkomponenten oder Pyrolysegasen reagieren. Außerdem wird das Schwinden und Quellen der festen Phase über den Verlauf der Zersetzungsreaktion der einzelnen Materialkomponenten mit der Wärmeleitung gekoppelt berechnet, sodass der Abbrand verkohlender Baustoffe realitätsnah berechnet werden kann. Anhand von Testfällen wurde das Modell verifiziert. Mit Hilfe von Kleinversuchen wie der thermogravimetrischen Analyse (TGA) und Cone-Kalorimeteruntersuchungen sowie Großversuchen wurde anschließend eine Validierungsgrundlage für den Fall von Kabelbrandlasten geschaffen, für die eine adäquate Abbildung der Brandausbreitungsprozesse in besonderem Maße relevant ist. Zusätzlich wurden die Ergebnisse eines internationalen Forschungsvorhabens berücksichtigt, um einen weiteren Kabeltyp in die Validierung einzubeziehen. Die Simulation der Klein- und Großversuche zeigt abschließend, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, die Brandausbreitung und die resultierende Wärmefreisetzungsrate für komplette Trassenaufbauten zu prognostizieren.

One of the main protection goals of the federal german building codes is the prevention of fire spread from one compartment to another. Furthermore, the occupants of a building should be able to leave the building during a fire incident. To ensure this, the federal building codes do not allow combustible materials in emergency routes and exits. In some cases, the requirements of the codes are not fulfilled in detail, or existing buildings were based on older regulations which do not comply with the actual ones. In those cases, it might be useful to assess the situation using engineering methods. Modern software packages solving the fluid- and thermodynamic conservation equations allow for a detailed analysis of smoke and heat propagation as well as the ventilation boundary conditions. Currently, the actual fire as the source of the heat and mass production is defined using prescribed values describing the heat release rate as a function of the time. The pyrolysis of the combustible materials itself, as the main physical phenomena behind the fire spread, is usually not considered. The main goal of this work is the development and improvement of the pyrolysis modeling towards a better prediction of the fire spread instead of using prescribed functions. To achieve this, the current scientific knowledge of the pyrolysis phenomena in combination with the combustion of the resulting fuel gases is investigated. The focus lies on the current approaches of modeling the pyrolysis of the solid phase using numerical methods. In a next step, a coupled pyrolysis and three dimensional heat transfer model is developed and integrated into an existing CFD model. To improve the performance and acceptance of the model, the implementation is optimized to reduce computational costs on standard work stations. The implementation is finished by verification and validation of the model using specific test cases. The applicability and validation for a user case is done by a calculation of the fire spread on horizontal cable trays. Therefore, small-scale tests like thermogravimetric analysis (TGA) and cone calorimeter tests as well as large-scale tray tests are conducted. Furthermore, international test results are considered for validation and applicability too. As a result, it can be shown that the developed model is capable of predicting the most relevant fire spread parameters like the heat release rate and the spread rate in small-scale and large-scale situations.

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Siemon, Matthias: Ein Pyrolysemodell zur Prognose der Brandausbreitung. 2017.

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