Versuchseinrichtungen

Bei der Durchführung von Entrauchungsversuchen muss das eingesetzte Brandsimulationsverfahren in der Lage sein, die charakteristischen Eigenschaften eines Realbrandes nachzustellen. Dabei ist die realitätsnahe Simulation des Rauchplumes von primärer Bedeutung .

Die über dem Brandherd aufsteigenden heißen Brandgase bilden eine hochturbulente Konvektionsströmung in Form eines Auftriebsstrahls (Plume). Dabei wird ständig Umgebungsluft an den Strahlrändern in die Brandgase eingemischt. Der entstehende Rauchgasmassenstrom ist dabei im Wesentlichen abhängig von der Brandintensität, der Turbulenzintensität im Auftriebsstrahl und von der Höhe und dem Umfang des Auftriebsstrahls bis zur Rauchgasschicht. Die Brandintensität ergibt sich dabei aus der Brandleistung pro Fläche, der so genannten spezifischen Wärmefreisetzungsrate (DIN 18232-2) und der im Brandverlauf anwachsenden Brandfläche, bzw. ihrem Umfang.

In Räumen mit relativ niedrigen Deckenhöhen und/oder mit temperaturempfindlichen Einbauten unter der Decke scheidet die Realbrandsimulation des Auftriebsplumes nur durch Verbrennung aus. Für diese Fälle hat I.F.I. einen Rauchgenerator mit äquivalenter Wärmefreisetzung durch Zugabe von Leichtgas entwickelt. In der Grundausführung wird damit der Auftrieb eines Brandes mit 0,5 MW Wärmefreisetzung realisiert. Durch spezielle Spoiler wird dabei die erforderliche flächige Turbulenz- und Geschwindigkeitsverteilung des Plumes sichergestellt. Durch Addition weiterer Elemente kann sowohl die erreichbare Wärmefreisetzung vergrößert werden als auch das Anwachsen des Brandes durch zeitversetzte Aktivierung der einzelnen Kanäle simuliert werden.

Die Visualisierung der Brandgase und der Rauchausbreitung im Plume sowie unter der Decke und in weiteren Raumbereichen wird durch die Beigabe von Nebel erreicht. Hierzu wird ein gesundheitlich und hinsichtlich Verschmutzungen unbedenkliches Nebelfluid eingesetzt.

Bei der Durchführung von Entrauchungsversuchen muss das eingesetzte Brandsimulationsverfahren in der Lage sein, die charakteristischen Eigenschaften eines Realbrandes nachzustellen. Dabei ist von primärer Bedeutung die realitätsnahe Simulation des Rauchplumes.

Die über dem Brandherd aufsteigenden heißen Brandgase bilden eine hochturbulente Konvektionsströmung in Form eines Auftriebsstrahls (Plume). Dabei wird ständig Umgebungsluft an den Strahlrändern in die Brandgase eingemischt. Der entstehende Rauchgasmassenstrom ist dabei im Wesentlichen abhängig von der Brandintensität, der Turbulenzintensität im Auftriebsstrahl und von der Höhe und dem Umfang des Auftriebsstrahls bis zur Rauchgasschicht. Die Brandintensität ergibt sich dabei aus der Brandleistung pro Fläche, der so genannten spezifischen Wärmefreisetzungsrate (DIN 18232-2) und der im Brandverlauf anwachsenden Brandfläche, bzw. ihrem Umfang.

Thermische und somit sehr realitätsnahe Plumeströmungen können mit den auf einer Gasbrennertechnik basierenden patentierten I.F.I.-Brandsimulationsvorrichtungen erzeugt werden. Deren Anordnung wurde beispielhaft auch in die VDI 6019-1 aufgenommen. Die Vorrichtungen bestehen aus modular aufgebauten Komponenten, welche variabel positioniert werden können. Die verwendeten Flüssiggasbrenner sind zeitlich frei steuerbar. Hierdurch können je nach Erfordernis des nachzubildenden Brandereignisses der Verlauf der Wärmefreisetzungsrate und die Ausbreitung der Brandfläche beliebig oft mit immer gleich bleibenden Randbedingungen simuliert werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine quantitative und qualitative Funktions- und Wirksamkeitsprüfung der Maßnahmen zur Rauchableitung und Rauchabschnittstrennung und wird vorwiegend in Bauwerken mit großen Abmessungen wie z.B. Messehallen, Atrien, Arenen oder mehrgeschossigen Hallen eingesetzt. Wahlweise können Konfigurationen mit 10 Brennern und einer maximalen Wärmefreisetzung von 1,2 MW oder mit drei großen Brennern mit einer maximalen Wärmefreisetzung von gesamt 7,5 MW jederzeit eingesetzt werden. Für besondere Brandszenarien können aber auch andere Brennerkonfigurationen von I.F.I. nach Bedarf gestellt werden.

Auch bei den thermischen Realbrandversuchen wird die erforderliche flächige Turbulenz- und Geschwindigkeitsverteilung durch den Einsatz spezieller Spoiler über den einzelnen Brennern erreicht. Für die Visualisierung von Plume und Rauchausbreitung wird gesundheitlich und reinigungstechnisch unbedenkliches Nebelfluid eingesetzt. Hierzu werden vier große Nebelgeneratoren gleichzeitig eingesetzt. Aufgrund der erforderlichen Heizleistung zur Verdampfung des Nebelfluids während des Versuchs ist für jeden der vier Nebelgeneratoren ein eigener Stromkreis mit 230 Volt und 16 A Absicherung erforderlich.

Für die Durchführung von Entrauchungsversuchen in Simulation von Fahrzeugbränden, werden die charakteristischen Eigenschaften des Realbrandes vor allem durch das Austreten der Flammen aus dem Motor- und Innenraum des Fahrzeugs geprägt. I.F.I. setzt daher die Karosserie eines Opel Omega Caravan mit spezieller Brenner- und Brandschutzausstattung für diese Versuche ein.

Die insgesamt möglichen 5 MW thermischer Wärmefreisetzung verteilen sich dabei auf zwei Brenner im Motorraum und 4 im Innenraum des Fahrzeugs, welche entsprechend in Brandversuchen an Originalfahrzeugen ermittelten realen Brandausbreitungsszenarien und Wärmefreisetzungsverläufen zeitlich gestaffelt aktiviert werden. Die Verbrennung selbst erfolgt rückstandsfrei mit Flüssiggas, die Visualisierung des Rauches erfolgt durch Verdampfung von medizinischem Weißöl, welches eine realistische Trübung der Luft in verrauchten Bereichen sicher stellt, ohne größere oder gar bedenkliche Rückstände im untersuchten Bauwerk zu hinterlassen.

Für Übungen mit Einsatzkräften verschiedener beteiligter Organisationen und Erst-
helfern kommt es vor, dass nicht die realistische Nachbildung eines Brandereignisses mit Ausbildung z.B. einer raucharmen Schicht gewünscht ist, sondern lediglich eine möglichst vollständige Verrauchung. Diese wird als Worst Case interpretiert unter dem die Orientierung und Kommunikation im Einsatz geübt bzw. überprüft werden soll.

I.F.I. kann durch seine große Erfahrung mit der Simulation von Rauch in Realbrandversuchen auch diese Anforderung mit den am Institut vorhandenen großen Nebelgeneratoren abdecken. So wurde im Rahmen einer Übung im Kreis Krefeld ein vierspuriger Autobahntunnel binnen Minuten so verraucht, dass ein unfallbedingtes Vorgehen mit allen technischen Hilfsmitteln, wie z.B. mit Wärmebildkameras realitätsnah geübt werden konnte.

Je nach Anforderungsprofil ist die Anzahl der erforderlichen Nebelgeneratoren im Vorfeld abzustimmen, da für jeden Generator aufgrund seiner erheblichen Heizleistung ein getrennt mit 16 A abgesicherter 230 V-Stromkreis benötigt wird.

Versuchsanlage zur Prüfung der strömungstechnischen Wirksamkeit von Natürlichen Rauch- und Wärmeabzugs-geräten (NRWG) im Modell

Die wirksamen Öffnungsflächen von NRWG werden nach DIN EN 12101-2 mit und ohne Seitenwindeinfluss experimentell am Original oder Modell bestimmt. Die Messungen werden auf speziell für NRWG-Untersuchungen entworfenen Anlagen am I.F.I. durchgeführt. Der prinzipielle Aufbau der Prüfanlage für Modelle (Maßstab 1:5 bis 1:10) ist aus dem untenstehenden Bild ersichtlich.

Das Modell der NRWG wird für die Prüfung auf einem Drehteller montiert, der eine speziell ausgelegte Beruhigungskammer nach oben abschließt. Damit wird die Ausströmung aus einem unendlich großen Raum (d.h. ohne Störeinflüsse) simuliert. Für die Simulation eines Seitenwindeinflusses wird der große I.F.I.-Industriewindkanal mit Vorsatzdüse genutzt.

Versuchsanlage zur Prüfung der strömungstechnischen Wirksamkeit von Natürlichen Rauch- und Wärmeabzugsgeräten (NRWG) in Originalgröße

Die wirksamen Öffnungsflächen von NRWG werden nach DIN EN 12101-2 mit und ohne Seitenwindeinfluss experimentell am Original oder Modell bestimmt. Die Messungen werden auf speziell für NRWG-Untersuchungen entworfenen Anlagenam I.F.I. durchgeführt. Der prinzipielle Aufbau der Prüfanlage für Originalgeräte ist aus dem unten stehenden Bild ersichtlich.

Das NRWG wird für die Prüfung auf einem Drehteller montiert, der eine speziell ausgelegte Beruhigungskammer nach oben abschließt. Damit wird die Ausströmung aus einem unendlich großen Raum (d.h. ohne Störeinflüsse) simuliert. Für die Simulation des Seitenwindeinflusses wird der große I.F.I.-Industriewindkanal genutzt. Er hat eine Austrittsfläche von 4,0 m Breite und 2,50 m Höhe. Die mittlere Geschwindigkeit des Freistrahls beträgt bei Versuchen nach Norm 10 m/s, entsprechend 36 km/h Windgeschwindigkeit oder Windstärke 5 Bft.

Foto oben: 
Blick in den eingehausten Bereich der Messstrecke für eine Seitenwindprüfung eines Dachflächenfensters

Abbildungen unten: 
An- und Aufsicht der Messstrecke für NRWG-Prüfungen an Originalgeräten nach DIN EN 12101-2

Laborabzüge, auch als Digestorien bezeichnet, sind Möbel für die Arbeit mit chemischen oder biologischen Substanzen. Sie sollen durch eine integrierte Absaugung die Ausbreitung eventueller Schadstoffe aus dem unmittelbaren Arbeitsbereich im Abzug in den Raum verhindern.

Die Laborabzüge (Digestorien) werden nach EN 14175-3:2003 geprüft. Hierbei werden der Volumenstrom des Abzugs, die Einströmgeschwindigkeit in den Arbeitsbereich, eine Spürgaskonzentration vor dem Abzug und damit sein Rückhaltevermögen sowie deren Abhängigkeit von Bewegungen vor dem Laborabzug gemessen.

Diese Messungen erfordern einen speziellen Prüfraum, welcher bei I.F.I. mitsamt der erforderlichen Lüftungsanlagen, Messausstattung und einer automatisierten Vorrichtung für die Simulation eines sich vor dem Abzug bewegenden Laboranten vorhanden ist.

Der I.F.I.-Dachtester wurde aus der Erfahrung mit realen Windschäden an Flachdächern speziell für die zeitverkürzte Prüfung von mechanisch befestigten oder verklebten Flachdachabdichtungen konstruiert. Mit Hilfe einer Unterdruckmimik können realistische Windlastprofile bis zu 10 kPa Unterdruck auf die Prüfaufbauten mit den Abmessungen 6 m x 2,5 m aufgebracht werden. Stetige Wiederholung ergibt die vorzeitige Alterung der verwendeten Bahnen und Befestigungsmittel bzw. Verklebungen.

Aus der Prüfung ergeben sich für die Hersteller interessante Aufschlüsse über die Bemessungslasten und eventuelle Schwachpunkte im Zusammenspiel der Elemente, die immer wieder Anlass für verbesserte Produkte sind.

Im Rahmen eines Arbeitsprogramms der EOTA wurde die Leitlinie ETAG006 durch das „Europäische Bewertungsdokument“ EAD 030351-00-0402 „Systeme mit mechanisch befestigten flexiblen Dachabdichtungsbahnen“ ersetzt. Benanntes EAD-Dokument verweist hinsichtlich der anzuwendenden Prüfverfahren in Kapitel 2.2.1.3 und Anhang 1 auf die EN 16002, die für unsere Prüfungen am Dach- und Fassadenprüfstand maßgeblich ist und die wir nun vollumfänglich abbilden können.

Nachstehend eine kurze Übersicht über die wichtigsten Kenndaten, angepasst an die EN 16002:

Breite:                                  2,5 m

Länge:                                  6,0 m

Prüffläche:                         15,0 m2

Radialventilator:              22 KW

Max. Unterdruck:            10.000 Pa

Neu ist, dass wir das in der EN 16002 geforderte Verhältnis zwischen dem Abstand der Befestigungsreihen [a ] zur Probekörperbreite [m ] von ≤ 0,85 für Abstände der Befestigungsreihen bis zu 2,1m einhalten bzw. prüfen können. Prüfungen in Anlehnung an die EN 16002 sind für z. B. verklebte Dachaufbauten in dieser Versuchsanlage ebenfalls möglich.

Der Beregnungsprüfstand dient der Untersuchung der Schlagregendichtigkeit von Dacheindeckungen aus z.B. Beton-Dachsteinen oder Tonziegeln.

Die Versuche werden im I.F.I.-Schlagregen-Windkanal durchgeführt. Das Versuchsdach, mit der Breite 2 m und mit einer Länge bis zum First von 3 m, wird mit den vom Hersteller angelieferten Dachsteinen oder Ziegeln eingedeckt und der kombinierten Belastung aus Regen und Wind ausgesetzt. Dabei kann die Vertikalachse des Versuchsdaches gegen die Vertikalachse des Windkanals geneigt werden, um unterschiedliche Dachneigungen zu untersuchen.

I.F.I. GmbH hat Grundlagenstudien durchgeführt, die zeigen, dass der Regeneintrag unter die Dacheindeckung durch einen windbedingten Aufstau im Bereich der Dachsteinunterkanten verursacht wird, der das eigentlich nach unten fließende Regenwasser in den Dachlattenraum hinein drückt.

Die Intensität von Regen- und Windbeaufschlagung wird in Anlehnung an britische Literatur und Regelwerke seit den siebziger Jahren mit dem "Driven Rain Index" (DRI) nach Lacy beschrieben. Kanadische Forschungen von Choi aus den 90er Jahren des vorigen Jahrhunderts bestätigen diese Ansätze.

Die Luftdichtheit von Gebäuden oder Gebäudeteilen gewinnt mit den heutigen Anforderungen zur Energieeinsparung immer mehr an Gewicht. Für die Prüfung der Erfüllung dieser Anforderungen, z.B. nach der Energieeinsparverordnung oder auch 
für definierte Druckverhältnisse bei einer mechanischen Entrauchung oder Rauchfreihaltung verfügt I.F.I. sowohl über eine Standard-Blower-Door, als auch projektspezifische Messeinrichtungen.

Für das nach ISO 9972 festgelegte Verfahren wird dazu der zu untersuchende Bereich mit Hilfe von Ventilatoren auf einen vorgegebenen Über- oder Unterdruck gebracht 
und dann die zur Druckhaltung erforderliche Luftmenge am Ventilator gemessen. 
Nach der Kontinuitätsgleichung muss diese der Nachströmung infolge der vorhandenen Undichtigkeiten am Bauwerk bei der gegebenen Druckdifferenz entsprechen und 
kann dann anwendungsspezifisch auf bezogene Kennwerte, z.B. einen Leckageluftwechsel, umgerechnet werden.

I.F.I. hat in der Vergangenheit besondere Erfahrung bei der Blower-Door-Prüfung großer Industriehallen, besonders im Kühl- und Tiefkühlbereich sammeln können. Für diese Hallen ist die hohe Dichtigkeit bzw. besonders niedrige Leckage zur Vermeidung unerwünschter Vereisungen und zur Begrenzung der Leistung bei Permanent-Inertisierungsanlagen besonders wichtig, daneben trägt die gute Dichtigkeit natürlich auch zur Energieeinsparung der Kühl- bzw. Tiefkühlanlagen bei.

Für die unkomplizierte und berührungslose Erfassung von Oberflächentemperaturen setzt I.F.I. bei Bedarf eine tragbare digitale Thermografiekamera ein. Diese wurde im Außeneinsatz auch bereits zur Suche nach bauphysikalischen Mängeln von der Dämmung einer Skihalle bis hin zur Wärmefreisetzung einer Müllverbrennungsanlage eingesetzt. Die Suche nach solchen Mängeln erfordert aber im Außenbereich eine zur Aufgabe kompatible Witterung, die ggf. abgewartet werden muss. 

Der große I.F.I.-Industriewindkanal steht in der Welkenrather Straße 120 und bietet bei einem Querschnitt des Freistrahls von 4,0 x 2,5 m² eine regelbare kontinuierliche Ausblasgeschwindigkeit von bis zu 10 m/s. Durch eine Vorsatzdüse kann der Querschnitt auf 2,25 x 1,5 m² verringert werden. Dann sind Geschwindigkeiten bis über 20 m/s möglich.

Für die praktische Arbeit ist ein Drehteller mit 6,5 m Durchmesser vor dem Windkanal installiert, die Messstrecke kann mit Hilfe einer Einhausung auf einer Länge von bis zu 10 m genutzt werden.

Der große I.F.I.-Grenzschichtwindkanal steht in der Welkenrather Straße 120 und bietet bei einem Querschnitt der Messstrecke von 2,8 m x 1,6 m eine regelbare Referenzwindgeschwindigkeit von bis zu 23 m/s. Die Messstrecke besitzt eine Länge von 4 m. Durch spezielle Einbauten (Counihan-Turbulenzgeneratoren, verschiedenartige Rauigkeitsfelder) wird im Bereich der Messstrecke ein realitätsnahes Windprofil hinsichtlich Geschwindigkeitszunahme über die Höhe und Turbulenzverhalten erzeugt. Dieser Windkanal nach "Eiffelscher Bauart" ist für Untersuchungen in Modellmassstäben von 1:150 bis 1:500 optimiert. Die Versuchsdurchführung, z.B. zur Ermittlung von Windlasten an Gebäuden, erfolgt nach der hierfür gültigen WTG-Richtlinie wie in DIN 1055-4:2005-03 empfohlen.

Für die Untersuchung unterschiedlicher Anströmwindrichtungen ist ein Drehteller mit 2,5 m Durchmesser im Windkanal installiert, der Messbereich kann mit einer Dreiachsen-Verfahreinrichtung automatisch aufgenommen werden.

Der kleine I.F.I.-Grenzschichtwindkanal steht in der Welkenrather Straße 120 und bietet bei einem Querschnitt der Messstrecke von 1,78 m x 0,9 m eine regelbare Referenzwindgeschwindigkeit von bis zu 25 m/s. Dieser Windkanal nach "Eiffelscher Bauart" besitzt eine Messstreckenlänge von 2 m. Durch spezielle Einbauten (Counihan-Turbulenzgeneratoren, verschiedene Rauigkeitsfelder) wird im Bereich der Messstrecke ein realitätsnahes Windprofil hinsichtlich Geschwindigkeitszunahme über die Höhe und Turbulenzverhalten erzeugt. Dieses ist für Untersuchungen in Modellmassstäben von 1:250 bis 1:800 optimiert.

Die Versuchsdurchführung, z.B. zur Ermittlung von Windlasten an Gebäuden erfolgt nach der hierfür gültigen WTG-Richtlinie wie in DIN 1055-4:2005-03 empfohlen.

Für die Untersuchung unterschiedlicher Anströmwindrichtungen ist ein Drehteller mit 1,5 m Durchmesser im Windkanal installiert, der Messbereich kann mit einer Dreiachsen-Verfahreinrichtung automatisch aufgenommen werden. Oberhalb der Messstrecke kann ein Spiegel so montiert werden, dass verzerrungsfreie Strömungsbeobachtungen vertikal zur Anströmrichtung aufgezeichnet werden können. Diese Art von Strömungsbeobachtungen werden beispielsweise bei der Sanderosientechnik durchgeführt. Im Auslaufbereich verfügt der Kanal zudem über spezielle Sandfangeinrichtungen.

Eine verbreitete Untersuchungsmethode in der Strömungslehre ist die Strömungsanalogie. Hier können Details von Strömungen durch Abbildung mit vergleichbaren physikalischen Vorgängen auf oft deutlich einfachere Weise untersucht werden.

Eine dieser Methoden ist die Nachstellung zweidimensionaler Strömungsvorgänge, z.B. um ein Flügelprofil herum oder durch ein Lüftungsgitter, in einer Wasserrinne. Unter Beachtung der Ähnlichkeitsgesetze entspricht die offene Wasserströmung in der Rinne der zweidimensionalen (d. h. im Schnitt ebenen)Strömung um bzw. durch die zu untersuchende Geometrie. Die Wasserhöhe verändert sich analog des Drucks in der Strömung.

Stromlinien können durch Bestreuen der Wasseroberfläche mit geeigneten Partikeln leicht sichtbar gemacht und mit Langzeitbelichtungen fotografiert werden.

Diese Eigenschaften erleichtern das Verständnis der untersuchten Strömungsfelder sehr und erlauben eine schnelle Untersuchung verschiedener Geometrieanpassungen z. B. zur Verminderung von Strömungsablösungen und Minimierung der Widerstände. Daher wird die Wasserrinne bei I.F.I. nicht nur zur Ausbildung der FH-Studenten genutzt, sondern auch für die Optimierung industrieller Entwicklungsaufgaben.