Um Brandrisiken in Gebäuden mit Atrien zu reduzieren, müssen bereits in der Planungsphase mögliche Brandverläufe und ihre Konsequenzen rechnerisch ermittelt werden. Die bestehenden Näherungsformeln werden in dieser Arbeit vom Autor untersucht und weiterentwickelt. Die so entstandene Näherungsformel kann unabhängig von der Atriumsgröße für einen Großteil der relevanten Anwendungsfälle verwendet werden und vereinfacht damit die bisherigen Rechenverfahren.

Immer wieder kommt es zu Brandkatastrophen, die vor allem in Gebäuden mit Atrien, wie sie oft in Einkaufszentren, Empfangshallen oder Flughäfen vorkommen, verheerende Auswirkungen haben können. Um die Risiken zu reduzieren, müssen bereits in der Planungsphase von Gebäuden mögliche Brandverläufe und ihre Konsequenzen rechnerisch ermittelt werden.
Diese Arbeit greift dabei auf bestehende Näherungsformeln zurück. Der Autor untersucht die bekannten Verfahren und ergänzt sie durch ein robusteres. Die so entwickelte Näherungsformel kann unabhängig von der Atriumsgröße für einen Großteil der relevanten Anwendungsfälle verwendet werden und vereinfacht damit die bisherigen Rechenverfahren.

Klappentext

Horizontal verlaufende Rauchgasströme, die in ein Atrium eindringen und in diesem bis zur Decke aufsteigen, stellen ein bekanntes Phänomen bei Gebäudebränden dar (spill plumes). In der Planungsphase eines Gebäudes besteht deshalb häufig der Bedarf, die in diesem Fall erforderliche Entrauchung des Atriums auch ohne aufwendige CFD-Simulationen und Modellversuche beurteilen zu können. Dazu stehen dem Ingenieur eine Reihe von Methoden und Näherungsformeln zur Verfügung, mit denen die erforderliche Anzahl und Größe von natürlichen Rauchabzugsöffnungen bestimmt bzw. maschinelle Rauchabzüge dimensioniert werden können. Alle vereinfachten Methoden beschränken sich derzeit auf Atrien, die ein ausreichend großes Rauchgasreservoir aufweisen. Für kleine Atrien steht dem Ingenieur derzeit ausschließlich die BRE Spill-Plume-Methode zur Verfügung, die aufgrund ihrer Komplexität für den baupraktischen Einsatz nur bedingt geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit werden Näherungsformeln entwickelt, die unabhängig von der Größe des Rauchgasreservoirs eine ausreichend genaue Abschätzung des Massenstroms im aufsteigenden Plume liefern. Die neuen Näherungsformeln basieren im Wesentlichen auf einer detaillierten CFD-Studie. Infolge des hohen Bedarfs an Rechenleistung wird im Vorfeld untersucht, inwieweit die verwendete Simulationssoftware durch Einsatz von GPU-Prozessortechnologie beschleunigt werden kann. Dazu wird ein Großteil des Rechenkerns der Software FDS in das Programmiermodell C/CUDA portiert und parallelisiert. Darüber hinaus wird ein Multi-Wellenfrontalgorithmus für den Strahlungswärmetransport in gasförmigen Medien an die Erfordernisse der GPU-Technik angepasst und in die Software FDS integriert. Nach Abschluss der Parallelisierungsarbeit wird die modifizierte Software verifiziert und die erreichte Geschwindigkeitssteigerung ermittelt. Durch die vorgenommenen Änderungen an der Software wird eine Steigerung der Rechenleistung zwischen dem 10fachen (Algorithmen zum Strahlungswärmetransport) und dem 30fachen (Algorithmen zur Strömungsmechanik) erreicht. Unter Verwendung der neuen Software wird anschließend eine CFD-Studie erstellt, deren FE-Modelle vorab über bereits bekannte Versuche validiert werden. Im Rahmen dieser Studie werden die Modelle im Hinblick auf die Atriengeometrie, die Öffnungsbreite des Brandraumes sowie die Wärmefreisetzungsrate variiert. Die entwickelten Näherungsformeln können unabhängig von der Atriengröße für einen Großteil der baupraktisch relevanten Anwendungsfälle verwendet werden und vereinfachen damit die bisherigen Rechenverfahren.