A risk-informed and performance-based life safety concept in case of fire
Protection of the health and life of the occupants in case of a hostile fire is the main safety objective of Fire Protection Engineering. On many occasions, open-space buildings, such as atria or multi-functional assembly buildings cannot be realized in accordance with the traditional safety requirements. Within this thesis a probabilistic methodology is developed in order to quantify the safety levels implied by the prescriptive codes. The definition of risk and its relation to reliability and probabilistic design procedures is discussed and structured under various aspects. To achieve the most accurate solutions, various aspects of the current procedural methods of life safety analysis are analyzed, discussed, and improved. Based on the findings, stochastic models are found for the various uncertain parameters. After an introduction to reliability theory, an adaptive response surface method based on interpolating moving least squares (IMLS) is developed, validated and benchmarked. This allows for a fast and efficient calculation of failure probabilities of life safety design solution using state-of-the-art numerical fire protection engineering tools. The method is applied to a typical building and the current reliability levels are (quantitatively) derived considering various possible scenarios. A subsequent inclusion of various fire protection barriers (i.e. sprinklers etc.) shows their quantitative effect and how they can be considered within a probabilistic safety format. Thus a way for a risk-informed and performance-based life safety design is paved.
Der Schutz von Gesundheit und Leben der Gebäudenutzer im Falle eines Schadenfeuers ist die Kernaufgabe des Brandschutzingenieurwesens. Vor allem offene Bauweisen wie Atrien und multifunktionale Versammlungsstätten lassen sich nicht mehr mit den traditionellen Sicherheitsanforderungen in Einklang bringen. In dieser Arbeit wird ein probabilistischer Ansatz entwickelt, der es erlaubt, das implizite Sicherheitsniveau gemäß den baurechtlichen Anforderungen zu quantifizieren. Eine Definition des Risikos und dessen Verhältnis zur Zuverlässigkeit und zu probabilistischen Nachweisverfahren werden diskutiert und unter verschiedenen Aspekten strukturiert dar-gestellt. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen, werden außerdem die Verfahrensweisen beim Nachweis der Personensicherheit nach dem derzeitigen Stand der Technik analysiert, diskutiert und nach Möglichkeit verbessert oder erweitert. Darauf aufbauend werden stochastische Modelle für die wichtigsten Eingangsparameter abgeleitet. Desweiteren wird nach einer kurzen Einführung in die Zuverlässigkeitstheorie ein adaptives Antwortflächenverfahren auf Basis einer Methode der kleinsten, interpolierenden und gleitenden Fehlerquadrate (IMLS) entwickelt, verifiziert und getestet. Damit ist es möglich, schnell und effizient die Versagenswahrscheinlichkeiten von Personensicherheitsnachweisen zu berechnen, welche mit numerischen Methoden nach dem neuesten Stand der Forschung im Brandschutzingenieurwesen durchgeführt werden. Das Verfahren wird auf ein typisches Beispielgebäude angewendet, dessen momentanes Sicherheitsniveau anhand diverser möglicher Szenarien (quantitativ) ermittelt wird. Anschließend wird gezeigt, wie anlagentechnische Brandschutzmaßnahmen (z. B. Sprinkleranlagen) in die Zuverlässigkeitsanalysen einbezogen werden können, welchen quantitativen Einfluss sie auf die Zuverlässigkeit haben und wie sie in einem Sicherheitsformat berücksichtigt werden können. Somit wird der Weg zu einer risikogerechten und leistungsorientierten Auslegung der Personensicherheit geebnet.
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