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ÖZET Yapı elemanlarının yapısal yangın korunumuna ait teorik ve nümerik hesapların yapılabilmesi için, kapalı hacımlarda yangın gazı sıcaklığını güvenli olarak saptayacak yangın odası modellerine ihtiyaç büyüktür. Bir yangının gelişimini tanımlayan en önemli -Fiziksel büyüklük, yangın odasında yangınla oluşan gazlara ait sıcaklıkların zamana göre değişimidir. Bu sıcaklık değişimi yangına etki eden çeşitli parametrelerin karşılıklı etkileşimleri ile belirlenir. Tabii bir yangın ihtimaller teorisi anlamında, seyrek olarak meydana gelen bir olay niteliğindedir. Yangın odasında bulunan yanıcı maddenin miktarı, dağılımı, yanma davranışı, yangın odasındaki açıklıkların yer ve büyüklükleri, yangın odasını çevreleyen duvarların ısıl Özelikleri, yangın odası geometrisi bir yangın gelişimini belirleyen önemli -faktörlerdir. Bu çalışmada, yangın odalarında oluşacak tabii yangınların yan etkilerini saptamak için, enerji bilançosu ve kütle debisini içeren yeni bir model geliştirilmiştir. Küçük ve büyük hacımlarda meydana gelecek yangınların.Farklılığı üzerinde durularak, yeni modelin genel olarak uygulanabilir olmasına çalışılmıştır. Çalışmanın ağırlıklı bölümünü kütle debisi ve enerji bilançosuna ait bağıntıların çıkarılması oluşturmuş, büyük hacı mi ar için yeni bir plum teorisi kurulmuştur. Nümerik analizlerin deneylerle karşılaştırılmasında, (küçük yangın odası deneyleri) yangın gazları ve çevre yapı elemanlarına ait sıcaklıklarla ilgili sonuçların cesaret verici olduğu görülmüştür. Buna dayanarak hesap modelinin, küçük yangın odalarında meydana gelebilecek bir yangında -giriş parametrelerinin doğru olarak verilmesi halinde- iyi neticeler vereceği söylenebilir. Büyük yangın odaları için henüz yapılmış bir deney olmadığından bir karşılaştırma yapılamamıştır. Ein neues Brandraummodel 1 für die Analyse der natürlichen Braende in geschloflenen Raeumen Zusammen-f assung Das Problem der Berechnung bzw Abschaetzung der mitt- leren Brandraumtemperaturen in Gebaeuden i m Faile eines Schaden-feuers ist ausserordentli eh komplen und bis heute nicht gelöst. Immerhin hat die Entwicklung der Gross- rechenanlagen jedoch so weit ge-Führt, daft, jetzt auch um-.fangreiche Gleichungssysteme mit ertraeglichem zeitau-fwand gelöst werden können. Das wichtigste Parameter welches eines Brandablau-f s an einem Brandort charakterisiert, ist die Entwicklung der Brandgastemperaturen waehrend der Branddauer. Diese Ent wicklung wird insbesondere durch die gegehseitige Inter aktion der brandbein-f lülenden Parameter bestimmt. Die wichtigsten Randbedingungen, die ein Brandgesche- hen bein flussen`, können wie.folgt zusammengestellt werden: a) Menge und Art der brennbaren Materialen en an einem Brand ort; b) Konzentration und Ober flaechenbeschaffenh-eit der brennaren Materialien; c) Verteilung der Brandlasten im Brandraum; d) Geometrie des Brandraumes; e) Thermische Eigenscha-f ten der umgebenden Bauteile des Brandraumes;.f) Ventilationsbedingungen, die die Sauerstoffzufuhr zum Brandraum steuern. Diese Parameter bestimmen massgeblich die entwicklung der He iftgastemperaturen am Brandort. Die Beobachtungen an Brandablau-f en und die durchge- führten Brandversuche haben ergeben, dafl der Ablaufeines Brandes hinsichtlich Temperaturhöhe und zeit im aİlgemeinen in vier Abschnitten er-folgts (i) Zündphase; + 3+VCpgOh - - l/^+l/S^.j-l Tg dt wird in Ab- haengigkeit von dem Sauersto-F -Fangebot berücksichtig. Die 5-zahl nach Bl (3): 5=r -.. (3) ? steuert den Grenz-f all-Bedingung (stöchiometrische Verbren- nung) und ist gleich dem Reziprokewert des Faktöre vom Lu-f tuber schuft. Diese Bedingung charakterisiert den Brand- ablau-f als brandlastgesteuerter Brand. Qy.=mv Hu wenn £1 (5) r Um Qv bestimmen zu können müssen zuerst Lu-f twechselrate me, oder die Abbrandgeschwindigkeit mv beetimntt werden. In Gl. (2) müssen die Wandober-f laechentemperaturen Tdi,j als weitere Unbekannte au-fge-faftt werden, d.h. Zur Lösung des Problems ist eine weitere Gleichung er-forderlich. Die Waermeau-f- nah me und - leitung der Umf assungsbautei 1 e wer den unter BerUcksichtigung der entsprechenden An-fangs und Randbedingungen aus der Fourier und der Newtongleichung bestimmt. Die Fouriergleichung beschreibt von den bisher diskutierten Beziehungen als einzige einen instationaeren Vorgang. klaehrend des Brandablau-f s, werden die be-flammten Ober-f laechen der Um-f assungsbautei 1 e von den heiften Brandgasen gespült, waehrend die aussen seiten der waende Lu-f ttemperaturen der Umgebung ausgesetz sind. x.vZur Lösung der portiellen di-f -f erentialgleichung von Fourier »erden die Raum- und Zeitvariable diskretisiert. Die verschiedene Möglichkeiten, die Var i ab 1 en zu diskre- t i si eren, ergeben die sogenannten expliziten öder implizi- ten Lösungsansaetze, die sich im wesentlichen durch ein unterschiedliches Konvergenz verhalten unterscheiden. im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine explizite Lö- sungsprozedur verwendet. Das L ö sung sverf ahren sieht vor, daf* die Wanddicken in der Anzahl von N Scheibenelemente unterteilt und dabei die Temper aturen in der Mi ttel ebene der Elemente durch Anwendung des I. Hauptsatzes und die Beziehungen -fur Waermeleitung in Körpem ermittelt werdent AT* Tg-Tt Ts-T, P ıCı Xi At i /ht +AHı/2kı A«a/2ka +Axi/2ki ATr-i Tn-1 `~ In Tn+i``Tn (6) iCnuXi DnCnÛKki At 4Kn-i/2k`_i+A!{n/2k` AM`^1/2k`*i+A«`/2kr, (7) ATtvi TV» - Tn Tn-1``Tn At 1/hc +A«N/2kN Ax`-i/2ki,_i+AKr,/2kr, (8) Die Ober-flaec hen temper aturen an der be-f lammten seite der Waende nach 61 (9) s Tt+thiÛJd/ 2k4)T« Tdl - - (9> l+(h4AMi/ 2k4) und an der nicht be-f lammten aussenseite nach Gl (10) s TM+(hdAKM/ 2kN)T, Tdd ? (lO) l+(höAxM/ ZkN) berechnet. Die Lösung der Bilanzgleichungen erfolgt wie bereits erwaehnt mittels einer expliziten Lösungsprozedur. Dabei werden die Massen- und Energiegleichungen -fur den Zeit- punkt (t+At) nach einem da-fur entwickelten Variationsver- ?f ahren simultan gelöst, wobei Tç, und mH als gesuchte Gr often au-fge-faftt werden. Massenströmung durch die o-f-fnungen In dem entwickelten Brandraummodel 1 werden in einem Brand-fall von voneinander unabhaengigen Beziehungen -fur xvidie horizantal und vertikal wirkenden Druckgleichgewichte ausgegangen. Diese Annahme geht auf die grundl eğenden Ar beiten von Kawagoe zurück. Es wird angenommen, daA in» Brandraum eine sogenannte neutral e ebene existiert, auf deren Höhe Innen- und Aufiendruck übereinstimmen. Unter- halb dieser Höhe erfolgt Fr i schlu-f tzu-fuhr in den Brand raum, waehrend oberhalb dieser durch die ausströmenden Gase, Energie aus dem Brandraum entweicht. Die Raten der ein- und ausströmenden Gase warden in Abhaengigkeit der Höhe der neutral en Ebene ermittelt. Ulenn die neutrale Ebene innerhalb einer verti kalen ö-f-fnungen liegt, kann deren Höhe nach Bl (11) 3x2 TYı ı /.& 3^2 3 hp- h«+h ' h« » ( - ) CChp-h») + - Apt 3 T` 2 b« m, 2 Th ıx: i- jJb`yor,i:2g(l- - ) 3Î (11) ermitelt werden, wobei sich die Fr i schlu-f tzu-fuhr nach Gl (12) 2 3. 2 Th, 1 X 13 ıiih = - MbpTJnh» C2g(l- - )3 (12) 3 T` errechnen laef&t. Die Lösungsver-f ahren der Massen- und Energiegleichungen im Rahmen dieser Arbeit wurde eine explizite Lösunğs- prozedur vervendet. in diesem ver f ahren spiel t Frage der Konvergenz nur eine Gekundaere Rolle, da es aus nahelie- genden Gr ünden ohnehin er-forderlich ist, bei der Lösuhg des Problems mit sehr kleinen zeitschr itten zu arbeiten im gesamten Brandablau-f wird. In jedem Zeitschritt (dt=5-10 s) die Hei^gastemperatur und die Rate der Frisehlu-f tzu-fuhr ermittelt. Dabei werden die Gleichungen (2) und (12) nach einer dem Newton-Rhapson Ver-f ahren aehnlichen Lösungspro- zedur gel öft t und die Unbekannten Gr often TQ und mn ermit telt. Schlufi-folgerungen Das in dieser Arbeit entwickelte Brandraummodel 1 er- möglicht eine wirkl ichkei tsnahe Analyse der natürlichen Braende in kleinıan ıınrf nmeeon Daanmsnim ersten Teil der Arbeit wurden zunaechst nur kleine und grofte Raeurae mit homogener Temper atur ver tei lung be- trachtet. Die theoretischen Grundlagen des hi er entwick- elten Idaermebi lanzmodells gehen zurück au-f die klaseischen Arbeiten van Kawagoe et al. Si e wurden ver vol lstaendigt durch die Arbeiten von Thomas, Babrauskas und Bohm. Das hier entwickelte Modeli -für homogene Temper aturver tei lung wurde anhand von enperimentellen Ergebnissen überprü-ft. Als Re-f erenzversuche wurden vor allem Holzkrippenbraende sub Metz und Polyaethylenbraende aus Lyngby ausgaewaehl t. In saemt lichen Nachrechnungen wurden gut e übereinstimmung zwischen den reehnerisch und experimentel 1 ermittelten werten -f estgel egt. Es kann davon ausgegangen werden, daft das vor 1 i eğende Rechenmodel 1 -für brandschutz teenni sene Berechnungen immer dann zu guten Ergebnissen -führen wird, wenn die in Frage stehenden Eingangsgr often in etwa mit den Bedingungen der durehge-f ührten Versuche übereinstimmen. In der Arbeit wurde aufterdem der Eirffluft der Wandau-f- bau von Um-f assungsbautei len au-f die Entwicklung der Tem- peraturn waehrend des Ablau-fs eines Brandes studiert. Es ist einleuctend, daft in Brandraeumen mit hoher Waerme- daemmung, bei i m übrigen unveraenderten Anfangs- und Rand- bedingungen, höhere Temperaturen auftreten als in Raeumen mit niedriger Waermedaemmung. Di eser Sach vernal t impli- ziert die thermische Eingangsgr often -fur die Wandaufbau wirklichkeitsnahe zu ermitteln. Die thermische Beanspruchung der Um-f assungswaende der Brandraeume wurde in Abhaengigkei t der aequivalenten Branddauer bei verschiedenen Abbrandgeschwindigkeiten der Holzbrandlasten ermittelt. Die Untersuchungen haben erge- ben, daft diejenige Abbrandgeschwindigkei t, die eine stö- chiometrische Verbrennung im Brandraum hervorru-ft, eine maximal e thermische Beanspruchung der Um-f assungswaende zur folge hat. Im -fall einer stöhiometrischen Verbrennung wird die Brandlast `optimal` ausgenutzt. So-fern es ge- lingt in einer bestimmten Kon-f iguration einen uberwiegend stöchiometrischen Brandablau-f z.B. reehnerisch zu simulie- ren, als ungünstigster Fall eingestu-ft werden. Das i m zweiten Abschnitt dieser Arbeit entwickelte mehrzonales Brandraummodel 1 wurde auch examplarisch -fur die Untersuchung eines Hal lenbrandes angewendet. Bei dieser Untersuchung wurde davon ausgegangen, daft die Hal- lengebaeude sowohl wertikale als auch horizantale öf -f nun- gen besitzt. Die E-f -fekti vi taet des Rechenmodells konnten nicht mit Hem Ergebnissen eines Groftbrandversuches ver gl i chen werden, da solche Versuche in der Literatür z.Zt. nicht ex ist i eren. Di ese Arbeit ist das Ergebniss einer langjaehrigen Untersuchung des Sonder-forschungsbereichs 148, Brandver - hal ten van Bauteilen an der Teenni senen Universitaet xviiiBraunschweig, bel der die Autorin massgeblich beteîligt geı^sen ist. Trots den eingehenden eKperımentelıen und theoretischen Untersuehungen, kann es nicht gesagt werden, daft das Feuerphaenomen ausreichend geklaert warden ist. Inshesondere bleibt heute noch die Abschaetzung der Brand- -faelle in Gro/lbrandraeumen unter Berücksichtigung der gegensei tigen Interaktion der Strahlungsvorgaenge noch ein ungelöstes Problem. So sind diese durch erweiternde theo- retische Ansaetze zu berücksichtigen und durch begleitende experimentelle Untersuchungen veri-f izieren. Trotzdem erscheint noch all den inzwischen erworbenen Erkentnissen bezüglich der Temperaturentwicklungen in Brandraeumen nur die Strenge Rechnung als der einzig sin- voller Weg. Die Arbeiten mUssen kün-ftig in d i eser Rich- tung intensiviert werden. Bezeichnungen A Apt At b g hu h h h' ha k ıhı-,. Qv T Tdi V Flaeche; ma ö-f -f nungs-f laeche, Dachö-f -f nung; m2 Daehf laeche; ms Brandraumbrei te; m spez. Ulaermekapazi taet; kJ/kg-K. erdbesehleunigung; m3/s unterer Heizwert; kJ/kg konvektiver Waermeubergang; kW/m^-K Brandraumhöhe; m Fensteroberkante bis zur DacbtHfnung; m Neutralezone bis zur Fensterunterkante, Dicke der Lu-f tschicht; m Absorptionskoef f izient des Gases; i/m Waermeleit-f aechigkeit; W/m-K Lu-f tmassenstrom dure seitliche Wando-f -fnung; kg/s Abbrandrate; kg/s ?freigesetzte Energie i m Brandraum; kJ/s Temperatur; K Wandtemperatur (innen); K Brandrauminhalt; m3 Pyramideninhalt; m3 V* P' Emission Kon t r ak t i onskoe-f -f i z i ent Dichte; kg/m3 Ste-f an-Boltzmann konstante; kJ/m^-h-k'* stöchiometrischer Verbrennungsf aktör xixIndices d s aussen di s Innenwand gs Gas hs Luft is inilen js Lau-f var i able zur Berücksichtigung der ver sen i edenen Um-f assungsbaut ei 1 e ns Mandschichtnummer (n=l,2, N> Pa Fenster XX 123 |
