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Zum Brandverhalten von Kabeltrassen im Zwischendeckenbereich

Zugehörigkeit/Institut
Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (IBMB)
Spille, Jens

Die brandschutztechnische Bemessung von Unterdecken, die Leitungsanlagen von Rettungswegen trennen, erfolgt derzeit auf Grundlage der Einheits-Temperaturzeitkurve. Diese Temperaturzeitkurve kann den Temperaturverlauf eines Raumbrandes auf sicherer Seite liegend wiedergeben, berücksichtigt jedoch nicht die Randbedingungen eines Brandes im Zwischendeckenbereich, der im Vergleich zur Grundfläche eine geringe Höhe und aufgrund der baulichen Trennung geringe Zuluftflächen aufweist. 
Um die Möglichkeit zu eröffnen, die bauordnungsrechtlichen Anforderungen zukünftig überarbeiten zu können, wird in dieser Arbeit das Brandverhalten von Kabeltrassen, als wesentliche Brandlast, im Zwischendeckenbereich unter Berücksichtigung der spezifischen Randbedingungen nähergehend untersucht. Hierzu werden neben kleinskaligen Versuchen am Cone-Kalorimeter auch die Ergebnisse von 14 in einem selbst entwickelten mittelskaligen Versuchsaufbau durchgeführten Brandversuche herangezogen. In diesen mittelskaligen Versuchen werden neben den Ventilationsbedingungen auch die Beflammungsdauer und die Art der Kabelanordnung variiert und es wird gezeigt, dass sich das Brandverhalten im Zwischendeckenbereich vom Brand in Räumen unterscheidet. So kann im Brandraum ein unterventiliertes Brandregime eintreten, obwohl die vorhandenen Öffnungsflächen für ein Raumbrandszenario mit Holzbrandlasten ein brandlastgesteuertes Brandregime gewährleisten.
 Um die in den Brandversuchen erzielten Ergebnisse auf eine breitere Basis zu stellen, wird auf Grundlage des Brandsimulationsmodells FDS ein Pyrolyse-gekoppeltes Partikelmodell zur Prognose der Brandausbreitung von elektrischen Leitungen entwickelt. Hierbei wird jede einzelne elektrische Leitung als ein Satz ortsfester Partikel betrachtet und die strömungstechnische Interaktion dieser Partikel mit der Gasphase berücksichtigt. Das Modell berechnet für die Isolierstoffe der elektrischen Leitung die Freisetzung von brennbaren Gasen unter Berücksichtigung der Reaktionskinetik der thermischen Zersetzung. Die hierfür erforderlichen Eingabeparameter wurden mittels inverser Modellierung aus den temperaturabhängigen Verläufen von durchgeführten TGA-Versuchen ermittelt. 
Das entwickelte Modell wird anhand der durchgeführten Brandversuche und weiterer Versuche aus der Literatur für die horizontale und vertikale Brandausbreitung von elektrischen Leitungen validiert und ist geeignet das Brandverhalten für unterventilierte Brände zu berechnen. Es wird genutzt, um u.a. den Einfluss unterschiedlicher Ventilationskonfigurationen und der Stromwärme auf das Brandverhalten zu untersuchen. Darüber hinaus wird das Modell für die Berechnung eines Brandes im Zwischendeckenbereich eines notwendigen Flures mit einer Länge von 35 m unter Berücksichtigung realitätsnaher Zuluftbedingungen angewendet. 
Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Untersuchungen werden abschließend ausgewertet und hieraus Empfehlungen für die Praxis abgeleitet. In Abhängigkeit der anlagentechnischen Brandschutzmaßnahmen zur Brandfrüherkennung wird ein Bemessungsbrand für die brandschutztechnische Bemessung von Unterdecken entwickelt.

The design of false ceilings separating technical building equipment from rescue routes in case of fire is currently based on the ISO 834 standard temperature-time curve. This temperature-time curve represents the temperature development of a compartment fire on the safe side. The ISO 834 standard temperature-time curve does not take into account the specific boundary conditions of a fire in the false ceiling area. Such false ceiling areas have low heights compared to the floor area and  low ventilation openings due to the structural separation. 
To be able to revise the building code requirements of false ceilings in the future, the fire behaviour in false ceiling areas is examined. Therefore, cable trays, representing the main fire load in false ceiling areas, are examined under consideration of the specific boundary conditions. In addition to small-scale tests using a cone calorimeter, the results of 14 fire tests carried out in a specially developed medium-scale test setup are used. In these medium-scale tests, the ventilation conditions, the flame duration and the type of cable arrangement are varied. These tests show that the fire behaviour in the false ceiling area differs from compartment fires. Thus, despite sufficient ventilation openings in the fire compartment, under-ventilated fires can occur.
To put the obtained results  on a broader basis, a pyrolysis-coupled particle model is developed based on the well-known fire simulation model FDS to predict the fire spread of cables. In this model each individual cable is represented as a set of stationary particles. The particle-fluid interaction is modelled in the momentum equation and in the energy conservation equation. The model calculates the release of flammable gases from the insulating materials of the cable by using a pyrolysis sub-model, which considers the reaction kinetics of thermal decomposition. The required input parameters are determined by inverse modelling of the conducted TGA tests.  The developed model is validated by using the performed fire tests and published results for the horizontal and vertical fire propagation of cables. The model is also suitable to determine the fire behaviour of cables in under-ventilated fires. It is used to investigate, among others, the influence of different ventilation configurations and Joule heating effect on the fire behaviour. Furthermore, the model is used to calculate a fire in the false ceiling area of a horizontal rescue route with a length of 35 m, under realistic ventilation conditions. 
Finally, the results of the experimental and numerical investigations are evaluated and application recommendations for fire protection engineers are derived from them. Depending on the active fire protection measuremenst regarding fire detection, a design fire is developed for the design of false ceilings in case of fire.

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