Entwicklung und Anwendung eines Strömungssimulationsprogrammes zur Vorhersage der thermischen Einwirkung auf Hohlraumbauten unter Brandlast

Zsfassung in dt. SpracheDie Brandbelastung während eines Feuers in Hohlraumbauten verursacht erheblichen Schaden an der Tragstruktur und beeinträchtigt dadurch die Gebrauchstauglichkeit und Tragsicherheit der Struktur. Im Falle eines Tunnelbrandes komment es vorallem durch die thermische Einwirkung auf die Tragkonstruktionen aus Beton und Stahl zum Abplatzen oberflächennaher Schichten der Betoninnenschale. Zur Bestimmung der Sicherheit sich in Planung befindlicher Infrastruktur im Katastrophenfall Brand und im Zuge der Sanierung ist es notwendig, den möglichen Wärmeeintrag von der Brandquelle in die Struktur abzuschätzen. Unterstützt durch den konstanten Anstieg der Rechnerleistung vergangener Jahre, stellt die numerische Strömungssimulation eine vielversprechende Methode dar. In dieser Arbeit wird ein Strömungssimulationsprogramm entwickelt, welches die Vorhersage der thermischen Belastung der Tragstruktur im Brandfall ermöglichen soll und es im weiteren erlaubt, standardisierte Temperatur-Zeit Kurven durch die ermittelten Temperaturverläufe zu ersetzen. Ein solches Programm muss die Physik einer turbulenten, auftriebsgesteuerten Strömung abbilden und den Wärmetransport zufolge Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung beinhalten. Zu diesem Zweck werden entsprechende Modelle mit Hilfe ausgesuchter Refernzbeispiele getestet, um sie dann in ein Simulationsprogramm zu integrieren. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Programmes wird im weiteren durch die Analyse von Brandexperimenten bestimmt bevor Brandszenarien in Tunnel mit unterschiedlichen Querschnitten realer Abmessungen und unter verschiedenen Ventilationsbedingungen simuliert werden.Fire hazards in underground infrastructures can seriously endamage the integrity of the load-carrying structure. Especially in case of tunnel fires, the temperature loading causes significant thermal degradation of concrete and spalling of near-surface concrete layers is likely to take place. In order to avoid or minimise the destructive effects of fires in enclosures, a quantitative assessment of the thermal intake to the structure during such incidents is inevitable. Thanks to increasing computational performance, simulations of fire scenarios by means of Computational Fluid Dynamics represent a promising method nowadays. The aim of the underlying work is to develop a fire code to numerically determine the thermal impact of fires on the load-carrying structure. The so-obtained temperature development of both the fluid and the adjacent solid walls of the structure should then replace commonly used temperature-time curves. In the simulation of fires, the analysis tool has to reproduce turbulent buoyancy-driven flows induced by the combustion process, accounting for conductive, convective, and radiative heat transfer. To meet these demands, suitable sub models are introduced after assessing their performance by means of selected benchmark tests. All sub models are combined into a single code which is then applied to the re-analysis of real-scale fire experiments before the fire code is finally used to simulate fire scenarios in tunnels of real dimensions with different types of cross-sections, blockages and fire loads.18