Böttger_Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen

Personensicherheit in rauchbelasteten Rettungswegen
Andreas Böttger, M.Sc.
DB Systemtechnik GmbH
[email protected]
Kurzfassung
Im Brandfall stellt der freigesetzte Rauch die weitaus größte Gefährdung für Personen in
baulichen Anlagen dar. Insbesondere Entstehungsbrände zeichnen sich mit ihren
eingegrenzten Brandstoffen und geringen Energiefreisetzungen oft durch hohe Anteile an
unvollständigen Verbrennungsprodukten in Form von sichttrübenden, toxischen und
reizenden Brandrauchbestandteilen aus. Aus diesen Gründen sind die normativen Regelwerke,
aber auch die Anwendungen von Ingenieurmethoden auf die Einhaltung einer raucharmen
Schicht in Rettungswegen für die Zeitdauer der Selbstrettung hin ausgerichtet.
Um für den Spezialfall horizontaler Rettungswege mit langer und schmaler Geometrie
genauere Prognosen treffen zu können, wurden in einem realmaßstäblichen Versuchsaufbau
Brandversuche durchgeführt. Wesentlich für die experimentelle Untersuchung der
Rauchfreisetzung war die Auswahl praxisnaher Brandstoffe bzw. -kombinationen. Diese
sollten zum einen typischen Entstehungsbrandszenarien in der Realität entsprechen
(Wohnungs- und Bürobrände), zum anderen aber auch bezüglich der Rauchgasfreisetzung
geeignete toxische und reizende Potentiale besitzen. Mit der Entwicklung eines Versuchs- und
Messregimes wurde die Voraussetzung geschaffen, um die Rauch- und Energiefreisetzungen
bei realmaßstäblich durchgeführten Versuchsbränden wissenschaftlich zu erfassen und im
Anschluss auszuwerten.
1. Einleitung
Wesentlich für die Beurteilung der Personensicherheit in Rettungswegen ist die Einhaltung
einer raucharmen Schicht bestimmter Höhe. Durch die im Plume-Modell beschriebene Heißgasschicht in Deckenhöhe und deren als Ceiling Jet benannten horizontalen Ausbreitung
können beim Eintritt in Rettungswegen die dortigen Luftverhältnisse soweit beieinträchtigt
werden, dass die Nutzung im Sinne der Selbstrettung erschwert und sogar verhindert wird.
Da bei Rettungswegen im Allgemeinen davon ausgegangen wird, dass diese aufgrund der
angestrebten Brandlastfreiheit nicht selbst Brandentstehungsort sind und sie eher sekundär
durch Brandraucheintrag Gefährdungen aufweisen können, sind sie durch
bauordnungsrechtliche Vorschriften in Bezug auf Abtrennung von Nutzungseinheiten sowie
in der Länge reglementiert. Hier spielen insbesondere der Rauchabschluss zu
Nutzungseinheiten und – bei Überschreitung der höchstzulässigen Rettungsweglänge – die
Unterteilung der Rettungswege in mehrere Rauchabschnitte eine wesentliche Rolle. Trotzdem
ist ein Raucheintrag im Brandfall gegeben, sei es durch versehentliches oder absichtliches
Offenstehen von Türen bzw. Abschlüssen, oder im gewissen Umfang auch bei der Nutzung
durch das Öffnen der Türen selbst.
Im Rahmen eines Masterarbeitsprojektes des Studienganges „Sicherheit und
Gefahrenabwehr“ wurde eine Versuchsreihe entwickelt und durchgeführt, um mit den
gewonnenen Daten die zeitabhängige Überschreitung der Schutzzielkriterien in der
raucharmen Schicht einzuschätzen und praxistaugliche Schlussfolgerungen zu erarbeiten.
Im Fokus stand dabei die Bewertung der Toxizität der Rauchgase und der Sichttrübung bei
verschiedenen Aufenthaltsdauern, welche die Zeitdauer der Selbstrettung darstellen. Die in
Ingenieurmethoden verwendeten Rechenmodelle zur Quantifizierung der Personensicherheit
im Brandfall konnten somit einer kritischen Überprüfung unterzogen werden.
2. Entstehungsbrände und ihre Auswirkungen auf Rettungswege
Über die Dauer des Entstehungsbrandes kann im räumlichen Umfeld meist noch von einer
guten Ventilation ausgegangen werden. Allerdings sind Entstehungsbrände durch eine
(unterschiedlich lange) Schwelbrandphase gekennzeichnet, in welcher der lokale
Ventilationsgrad innerhalb der Geometrie des betreffenden Brandobjektes unter Umständen
durchaus stark abfallen kann (Glimmbrand im Brandstoffinneren).
Parallel verlaufen solche Entstehungs- bzw. Schwelbrände – abhängig vom Energieeintrag
des Zündinitials – mit relativ geringem Temperaturanstieg. Dies hat zwei Folgen: zum einen
eine verstärkte Freisetzung unvollständiger Verbrennungsprodukte infolge fehlender
Energiebeträge bei der Stoffumsetzung, zum anderen aber auch weniger thermische
Auftriebskraft aufgrund geringerer thermisch bedingter Dichteunterschiede im Vergleich zu
fortgeschrittenen Brandphasen.
Dies hat unmittelbare Auswirkungen bei einem Brandraucheintrag in einen horizontalen
Rettungsweg. So kann es relativ rasch zu einer Abkühlung der minder warmen Heißgasschicht an den kühlen Raumwänden und damit zu einer Einmischung in die raucharme
Schicht kommen. Auch weitere Störeinflüsse wie Turbulenzen an Strömungshindernissen,
Impulseinträge durch Fremdströmungen wie Lüftungsanlagen, Luftbewegungen durch
Personenströme usw. bewirken hier eine vorzeitige Durchmischung und gefährden damit die
Schutzzielkriterien für eine Nutzung dieses Gebäudebereiches bzw. Rettungsweges.
3. Brandauswirkungen auf Personen
Brandrauchauswirkungen werden nach folgenden Gesichtspunkten aufgeschlüsselt:
•
•
•
•
toxische / narkotisierende Wirkungen
reizende Wirkungen
Licht- und damit auch Sichttrübungen
thermische Wirkungen
Bei Bränden werden die häufigsten Personenschädigungen durch Rauchgasinhalation hervorgerufen. Je nach Literatur geht man dabei von bis zu 80 % der verzeichneten Todesfälle
aus. Die toxischen Wirkungen beruhen im Wesentlichen auf dem narkotisierenden Effekt, d.h.
auf einer Sauerstoffminderversorgung der Körpergewebe (Hypoxie), welche sich zuerst und
am gravierendsten auf das zentrale Nervensystem auswirkt. Damit wird die
Handlungsfähigkeit der betroffenen Person herabgesetzt, was im Brandfall in Hinblick auf die
Selbstrettung fatale Folgen hat. Hauptsächlich dafür verantwortlich sind die
Brandrauchprodukte Kohlenmonoxid, Cyanwasserstoff sowie Kohlendioxid.
Der Brandrauch verursacht meist auch eine akute Reizung der ihm ausgesetzten
Schleimhäute. Dazu gehören die Augen und der gesamte Respirationstrakt. Somit wird bereits
durch die reizenden Rauchbestandteile eine Beeinträchtigung in Bezug auf die
Reaktionsfähigkeit erzielt. In höheren Konzentrationen können reizende bzw. ätzende Gase,
beispielsweise durch Ausbildung von Lungenödemen, zeitverzögert auch letal wirken.
Ganz entscheidend für die Selbstrettung ist die Erkennbarkeit des Fluchtweges über eine
bestimmte Distanz. Die Sichtbarkeit des Fluchtweges und der Rettungszeichen wird durch die
Partikel im Brandrauch herabgesetzt, wodurch die Orientierung im Gebäude erschwert wird.
Somit wird auch die Bewegungsgeschwindigkeit verringert und die Person der
Rauchbelastung wiederum länger ausgesetzt.
Eine weitere limitierende Größe bei der Personensicherheit in Rettungswegen ist die
thermische Belastung. Sie kann einerseits durch Wärmestrahlung bedingt sein, wovon
insbesondere unbedeckte Hautpartien wie das Gesicht betroffen sind. Andererseits führt die
Inhalation heißer Luft bei Temperaturen von 80°C bis 120°C und entsprechender Einwirkdauer zur Erhöhung der Körpertemperatur und damit über Bewusstseinstrübung bis hin zum
thermischen Schock. Bei Lufttemperaturen oberhalb von 180°C kann es zum sogenannten
Inhalationstrauma kommen. Maßgeblichen Einfluss auf die thermische Wahrnehmung und die
Auswirkungen hoher Temperaturen exponierter Personen hat dabei die vorliegende
Luftfeuchtigkeit.
Die beschriebenen Wirkungen und ihre Ursachen waren und sind Gegenstand vieler Untersuchungen. Sie können grundlegenden Werken wie beispielsweise dem SFPE-Handbuch [1]
mit wissenschaftlicher Tiefe, mit Anwendungsorientierung in Ausarbeitungen wie dem vfdbLeitfaden [2] und normativ den Regelwerken entnommen werden.
4. Aufbau des Realbrandversuchsstandes
Für die Realbrandversuche war ein Versuchsaufbau mit definierten Umgebungsbedingungen
sowie entsprechender Infrastruktur erforderlich. Dazu wurde am Institut der Feuerwehr
Sachsen-Anhalt Heyrothsberge eine Brandversuchshalle genutzt, die aufgrund ihrer
Dimensionen den Aufbau des realmaßstäblichen Versuchsstandes und mit ihrem Innenvolumen von 3000 m3 den Betrieb bei geschlossenen Hallentoren erlaubte, ohne dass es
während der Versuche zu Änderungen im Ventilationsgrad der Abbrände oder Rückeintrag
von Brandrauch in den Versuchsstand kam.
Der in Trockenbauweise erstellte Versuchsstand bestand aus einem Brandraum sowie einem
unmittelbar angrenzenden Flurbereich. Der Brandraum wies eine Grundfläche von 7,5 m² auf,
der Flurbereich eine Grundfläche von 20 m². Die Abmessungen können der Abbildung 1
entnommen werden.
Brandraum
Flurbereich
Abbildung 1: Grundriss des Versuchsstandes
Beide Räume hatten eine einheitliche Deckenhöhe von 2,50 m. Die Räume waren über eine
Öffnung in der Trennwand von 2,00 m Höhe und 1,00 m Breite verbunden. An dem vom
Brandraum entfernt liegenden Ende des Flures befand sich eine Öffnung von 2,00 m Höhe
und 1,50 m Breite, welche das Abströmen der Rauchgase in die umgebende Brandhalle
ermöglichte.
Abbildung 2 zeigt den Brandversuchsstand im fertiggestellten und messtechnisch komplett
ausgestatteten Zustand.
Abbildung 2: Außenansicht des Versuchsstandes
5. Messinstrumentierung
Die messtechnische Ausstattung des Versuchsstandes erfolgte anhand der
Untersuchungsziele, wobei hinsichtlich der Personensicherheit folgende Schwerpunkte
gesetzt wurden:
 quantitative Erfassung physiologisch relevanter Brandgase
 Transmissionsmessungen zur Ermittlung der optischen Dichte
 Messung der Temperaturen
Die Gasmessungen erfolgten mithilfe eines FTIR-Spektrometers Gasmet™ Dx-4000 des
Herstellers Ansyco und drei Mehrgasmessgeräten Dräger X-am® 7000. Das FTIRSpektrometer ließ dabei die Erfassung der im FED-Modell1 relevanten narkotisierenden Gase,
aber auch die im FEC-Modell2 aufgeführten reizenden Gase zu. Die Mehrgasmessgeräte
bestimmten die Konzentrationen der maßgeblichen narkotisierenden Gase Kohlenmonoxid,
Cyanwasserstoff und Kohlendioxid.
Mithilfe von neuentwickelten Laser-Extinktionsmessgeräten wurde die Intensitätsschwächung
infolge der Rauchdurchstrahlung erfasst und damit die Berechnung der optischen Dichte DL
ermöglicht.
Durch die Platzierung einer Vielzahl von schnellansprechenden Thermoelementen innerhalb
der Geometrie des Versuchsstandes konnten einerseits die physiologischen Belastungen bei
Nutzung des Rettungsweges, aber auch die Verläufe der Heißgasströme über die
Versuchsdauer detektiert werden.
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Fractional Effective Dose – Modell zur Berücksichtigung von kumulierenden Einzeleinflüssen, siehe [1]
Fractional Effective Conzentration – Modell zur Abschätzung der Gesamtauswirkungen der Reizgase, siehe [1]
Weitere Instrumente vervollständigten die Messungen:
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Abbrandwaage zur gravimetrischen Erfassung der Abbrandrate
Wärmebildkamera zur Bestimmung der Flammenausdehnung und Heißgasschichtung
bidirektionale Sonden zur Ermittlung von Zu- und Abluftströmungen
Lumineszenzmeter zur Leuchtdichtemessung hinterleuchteter Sichtzeichen im
Rettungswegbereich
 optische Rauchmelder im Deckenbereich des Rettungsweges zur Erfassung der
Auslösezeitpunkte in Abhängigkeit von der Brandrauchausbreitung
Es erfolgte eine umfassende Foto- und Videodokumentation der jeweiligen Brandversuche,
anhand derer auch eine nachträgliche visuelle Beurteilung des Abbrandverhaltens und der
Rauchausbreitung innerhalb des Versuchsstandes möglich wurde.
Sämtliche Daten der Messwertaufnehmer wurden simultan über rechnergestützte Systeme
erfasst. Synchronisiert mit den Videoaufzeichnungen lies dies eine ganzheitliche Betrachtung
und Auswertung der Versuchsabläufe zu.
Dabei stützte sich die Bewertung der Personensicherheit im Flurbereich auf drei gleichartig
instrumentierte Messstrecken bei 3 m, 5 m und 8 m Flurlänge. Hier wurden in 2,0 m Höhe
Gasentnahmesonden und Thermoelemente platziert sowie Extinktionsmessungen
durchgeführt. So ließ sich die horizontale Ausbreitung der Heißgasschicht nachverfolgen.
Die Messwertaufnahme betrug jeweils 30 min. In den meisten Fällen erfolgte in dieser Zeit
ein vollständiger Abbrand der Versuchskörper. Dies wurde vor dem Hintergrund der
möglichen Aufenthaltsdauern in rauchbelasteter Umgebung und den im Kap. 8 des vfdbLeitfadens [2] hinterlegten dazugehörigen Anforderungen so gewählt.
In der nachfolgenden Abbildung 3 wird die Platzierung der Messinstrumentierung dargestellt:
Abbildung 3: schematische Übersicht der Messgeräteanordnung
(RM = Rauchwarnmelder, TE = Thermoelement, G = Gasentnahme Mehrgasmessgerät, FTIR
= Gasentnahme FTIR-Spektrometer, T = Laser-Transmission, SZ = RettungswegSichtzeichen, TM = Maurer-Transmission)
6. Versuchsauswertung
Als Brandstoffe wurden sowohl Brandflüssigkeiten und Kunststoffkrippen als auch
Spanplatte-Kunststoff-Krippen mehrmals in derselben Konfiguration abgebrannt. Weiterhin
wurden Realbrandkörper ohne Wiederholungsversuch verbrannt. Insgesamt erfolgten 31
Einzelversuche, eine detaillierte Auflistung der Brandstoffe/ -körper ist [3] zu entnehmen.
Die Auswertung der Brandversuche hinsichtlich der Personensicherheit erfolgte einerseits
anhand der primären Messwerte, wie beispielsweise der jeweiligen Rauchgaskonzentrationen
oder der Temperaturen bzw. direkt ableitbarer Parameter wie die optische Rauchdichte. Im
Weiteren wurde über physiologische Belastungsmodelle die Handlungsfähigkeit von
Personen unter Brandrauchexposition beurteilt. Folgende Modelle fanden dabei Eingang:
 FED-Modell nach Purser [1] (dosisabhängige Handlungsunfähigkeit durch narkotisierende
Rauchgase)
 F-Modell des vfdb-Leitfadens [2] (vergleichbar mit dem FED-Modell nach Purser)
 FEC-Modell nach Purser [1] (konzentrationsabhängiger Einfluss der reizenden Rauchgase
auf die Selbstrettung)
 thermisches FED-Modell [2] (Beeinflussung der Selbstrettung durch Erhöhung der
Körperkerntemperatur; hier beschränkt auf den konvektiven Wärmeeintrag)
Anhand der dazugehörigen Grenz- bzw. Anhaltswerte konnten somit die zeitabhängigen
Überschreitungen der jeweiligen Beurteilungsgrößen erfolgen. Alle Modelle wurden
hinsichtlich ihrer Anhaltswerte mit den üblichen Sicherheitsfaktoren (0,3 gemäß [2]) belassen,
die auch körperlich beeinträchtigten Personen eine hinreichende Selbstrettung ermöglichen
würden. Entsprechend der Geometrie des Rettungsweges wurde der Anhaltswert für die
optische Dichte von 0,2 m-1 gewählt, wie er im vfdb-Leitfaden [2] für übersichtlich
strukturierte Rettungswege und kurze Aufenthaltsdauer vorgeschlagen wird.
In der vergleichenden Auswertung aller Versuche zeigt sich die in Abbildung 4 dargestellte
Reihenfolge der Anhaltswert-Überschreitungen.
Abbildung 4: Reihenfolge der Schutzzielüberschreitungen
Es stellt sich sehr deutlich die Überschreitung der optischen Dichte (OD) in den meisten
Fällen als die primäre Überschreitung heraus, gefolgt von der beginnenden Beeinträchtigung
durch reizende Brandgase (FEC (IE))3. Trotz der relativ geringen Brandleistung der
nachgestellten Entstehungsbrände war die thermische Belastung (FED (therm)) in der
vorliegenden Geometrie des Versuchsstandes nicht zu vernachlässigen, wobei dies der
kumulativen Wirkung, also eines angenommenen Anstiegs der Körperkerntemperatur
geschuldet war. Bei Betrachtung der weiteren Reihenfolge4 wird deutlich, dass die
einsetzende Handlungsunfähigkeit durch narkotisierende Brandgase (FED (tox)) insgesamt
3
4
FEC (IE): beginnende Beeinträchtigung (Impair Escape) der Selbstrettung durch Reizgaseinflüsse
FEC (CI): signifikante Beeinträchtigung (Cause Incapacitation) der Selbstrettung durch Reizgaseinflüsse
nur viermal den Anhaltswert überschritten hat, und zwar stets erst nach mindestens zwei
Überschreitungen von anderen Schutzzielkriterien.
7. Fazit und Aussicht
Es wurden reproduzierbare und mittels eines umfangreichen Messregimes aufgezeichnete
Brandversuche durchgeführt. Die Auswertung der Brandversuchsreihe unter dem Aspekt der
Personensicherheit hat die These des vfdb-Leitfadens bestätigt, dass die optische Dichte als
kritischstes Schutzzielkriterium zu bewerten ist. Diese Aussage ist jedoch nur auf die
flammende Verbrennung zu beziehen, da für die Schwelbrandphase eine primäre Gefährdung
der Personensicherheit durch Kohlenmonoxid aufgezeigt wurde. Weiterhin wurde das im
vfdb-Leitfaden genannte Korrelationsverhältnis Kohlenmonoxid/Cyanwasserstoff von 12,5/1
für Stoffe mit einem Stickstoff-Massenanteil von mehr als 2 Masseprozent weitestgehend
bestätigt. Die Auswertung der FED- und FEC-Modelle ergab, dass bei den durchgeführten
Brandversuchen die Konzentration reizender Rauchgasbestandteile in mehreren Fällen zu
einer Beeinträchtigung der Flucht über den notwendigen Flur geführt hätte. Die Dosis der
narkotisierenden Rauchgase blieb in nahezu allen Fällen im unkritischen Bereich.
Die kompletten Datensätze der Brandversuche, die im Zusammenhang mit den Masterarbeiten
durchgeführten Berechnungen sowie die dazugehörigen studentischen Abschlussarbeiten
[4]/[5]/[6] sind zukünftig bei Herrn Prof. Ulrich Krause, Universität Magdeburg (Fakultät für
Verfahrens- und Systemtechnik, Lehrstuhl für Anlagensicherheit) für Forschungszwecke
abrufbar. Die der Fachwelt zur Verfügung gestellten Ergebnisse (inklusive der gesamten
Datenlage) helfen somit, die zugrundeliegenden Modelle der Personensicherheit zu validieren
und fortzuschreiben.
Literaturverzeichnis:
[1] Purser, D. A. (2008): „Assessment of hazards to Occupants from Smoke, Toxic Gases and
Heat”; SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection
Association, Quincy, Massachusetts, 4th Edition
[2] Hosser, D. (2013): „Leitfaden – Ingenieurmethoden des Brandschutzes“; Vereinigung zur
Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V. (vfdb), TB 04-01, 3. Auflage
[3] Wiezorek, M. (2015): „Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten
Rettungswegen - Anwendung der CFD Software FDS zur Quantifizierung der
Personensicherheit in horizontalen Rettungswegen“; Beitrag zum Tagungsband des 4.
Magdeburger Brand- und Explosionsschutztages
[4] Böttger, A. (2014): „Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten
Rettungswegen“; Masterarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg; Hochschule
Magdeburg Stendal
[5] Wiezorek, M. (2014): „Untersuchungen zur Personensicherheit in rauchbelasteten
Rettungswegen – Anwendung der CFD Software Fire Dynamics Simulator zur
Quantifizierung der Personensicherheit“; Masterarbeit; Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg; Hochschule Magdeburg Stendal
[6] Franke, E. (2014): „Aufbau, Erprobung und Einsatz eines Extinktionsmessgerätes zur
Bestimmung der Dichte von Rauch in Rettungswegen“; Masterarbeit; Otto-von-GuerickeUniversität Magdeburg; Hochschule Magdeburg Stendal

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