Experimente und Simulationen für eine sichere ­Evakuierung von U-Bahnstationen im Brandfall

Die Rauchausbreitung in unterirdischen Verkehrsstationen, im Speziellen in U-Bahnstationen, stellt eine Herausforderung für den Brandschutz dar. Kompakte, verwinkelte Stationen mit mehreren Ebenen zeigen im Brandfall ein komplexes strömungsdynamisches Verhalten. Besonders die Dynamik der Rauchausbreitung während der sogenannten Selbstrettungsphase ist kritisch. Da sich sowohl der warme Brandrauch als auch die anwesenden Personen über die gleichen Wege nach oben bewegen, können Menschen in Gefahr kommen. 

Das Projekt ORPHEUS untersucht neben der Personensicherheit und dem Einfluss des Tunnelsystems auf die Branddynamik auch psychologische Aspekte der Evakuierung und die interorganisationale Zusammenarbeit von Rettungskräften und Betreibern. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms „Forschung für die zivile Sicherheit“ (www.sifo.de) in der Förderrichtlinie „Zivile Sicherheit – Schutz und Rettung bei komplexen Einsatzlagen“.

Szenario

Als Gefahrenszenario wird ein Brand in der U-Bahnstation betrachtet. Dabei können verschiedene Brandquellen, wie z. B. Kofferbrände, Brände in einem Geschäft oder Zugbrände, mit ihren unterschiedlichen energetischen Eigenschaften betrachtet werden. Der Brand hat eine Evakuierung der Station zur Folge, bei der Fragen der Alarmierung, der Wahrnehmung der Beschilderung und Orientierung durch die Passagiere eine wichtige Rolle spielen.

Forschungsprojekt ORPHEUS – Optimierung der Rauchableitung und Personenführung in U-Bahnhöfen: Experimente und ­Simulationen

Das Ziel des Projekts ORPHEUS (www.orpheus-projekt.de) liegt in der Erhöhung der Sicherheit während der Selbstrettungsphase im Falle eines Brandes in einem U-Bahnhof. Im Zentrum des Projekts steht das System U-Bahn, mit speziellen Aspekten wie dem unterirdischen Klima, der Wegfindung in einer komplexen Station und der Zusammenarbeit von Betreibern und Rettungskräften im Notfall. Dazu hat der Verbundpartner IBIT ein Planspiel entworfen, welches eine U-Bahnstation in eine komplexe Einsatzlage einbettet. 

Das Spektrum der in diesem Verbundprojekt verwendeten experimentellen Methoden reicht von Experimenten, die im Labor, vor Ort und im verkleinertem Maßstab stattfinden, bis hin zu Orientierungsexperimenten in einer virtuellen Realität. Es wird aber auch auf Simulationsmethoden im Bereich der Brand- und Fußgängerdynamik zurückgegriffen, um das System U-Bahn vollständig zu erfassen und zu verstehen. 

Hierbei bildet beispielsweise die Kopplung dieser beiden Dynamiken eine besondere Herausforderung, die eine sinnvolle Verknüpfung der jeweiligen Simulationswerkzeuge bzw. -ergebnisse erfordert. Beide Ansätze dienen dazu, auch spezialisierte Entrauchungs­maß­nahmen für komplexe U-Bahnstationen zu entwickeln und zu evaluieren. 

Der Verbund des Projekts besteht aus 14 Partnern aus Wissenschaft und Industrie, die sowohl von dem Verkehrsbetrieb BVG aus Berlin als auch von den Feuerwehren Berlin und München unterstützt werden.

Experimente und Simulationen

Im Rahmen von ORPHEUS wurden Experimente zu verschiedenen Aspekten durchgeführt. So wurden beispielsweise die CO2 und SF6 Sensoren der Partner I.F.I., RUB und Hekatron unter kontrollierten Randbedingungen bei kleinen Brandversuchen in den Versuchshallen des Aachener Partners abgeglichen. SF6 ist ein Stoff, welcher sich besonders gut als Spurenstoff zur Untersuchung von Ausbreitungsprozessen einsetzen lässt und in den Realbrandversuchen eingesetzt wurde. Diese Experimente dienten als Vorarbeiten für die Realbrandversuche in der Station „Osloer Straße“ der BVG in Berlin.

Im Verlauf der letzten beiden Jahre wurden mehrere Versuche in dieser U-Bahnstation durchgeführt. In der betriebsfreien Zeit haben Mitarbeiter des I.F.I. mit Propanbrennern die Entstehungsphase eines Brandes nachgestellt. Dabei wurde die Temperatur der direkt benachbarten Bauteile stets überwacht, um Schäden an der Station zu vermeiden. 

Zur Datengewinnung wurden mehrere hundert Messstellen zur Erfassung der Lufttemperatur, der Strömungsgeschwindigkeiten und der Stoffkonzentrationen von CO2 und SF6 eingesetzt. Da alle Installationen abgebaut sein mussten, bevor die erste U-Bahn ihre Fahrt aufnahm, stellte die Logistik für die Experimente eine zusätzliche Herausforderung dar. Die gewonnenen Daten können zur Feststellung der Genauigkeit der numerischen Simulationen genutzt werden. 

Parallel zu den Einzelversuchen führten die Wissenschaftler der RUB Langzeitmessungen des unterirdischen Klimas an mehreren Stationen in Berlin durch. Mit diesen Daten können für die einzelnen Stationen Klimamodelle erstellt werden und als Randbedingungen in numerische Simulationen einfließen. Neben den Versuchen zur Branddynamik haben das Team HF und FZJ Orientierungsexperimente mit Probanden durchgeführt. Hier wurde beispielsweise die Frage untersucht, welche Rolle die Beschilderung bei der Wahl eines Fluchtwegs spielt. Diese Daten sind in die Kalibrierung der Entscheidungsmodelle in den Evakuierungssimulationen eingeflossen.

Aufgrund des hohen Aufwands der Realbrandversuche wurden Parameterstudien in einem kleinskaligen Modell der Station und ihrer Umgebung durchgeführt. Zum einen hat die Firma ROM Technik die Station „Osloer Straße“ im Maßstab 1:15 nachgebildet, anhand dieser wurden Entrauchungskonzepte entworfen und evaluiert. Zum anderen wurden von den Mitarbeitern des I.F.I. verschiedene Modelle der Oberflächenumgebungen im Windkanal untersucht, wobei die Auswirkungen einer Verrauchung der Oberfläche betrachtet wurden.

Aus den neu gewonnenen experimentellen Daten wurden numerische Modelle erstellt. Die von der BAM durchgeführten Simulationen haben einen Abgleich mit den Messdaten sowohl aus den Laborversuchen und den Realbrandversuchen, als auch aus den Modellversuchen mit verschiedenen Simulationswerkzeugen erlaubt. 

Von besonderer Bedeutung ist hier die Berücksichtigung des unterirdischen Klimas. Dazu wurde vom FZJ ein Ensemble aus Simulationen erstellt, welches ein breites Spektrum von Szenarien abbildet. Bei dieser umfassenden Betrachtung hat sich ein starker Einfluss des unterirdischen Klimas herausgestellt, vor allem während der ersten Phase eines Brandes. Diese Aussage wird durch die experimentellen Daten belegt. 

Schließlich wurden die numerischen Berechnungen der Strömungsdynamik (CFD) an ein Evakuierungsmodell gekoppelt. Diese Kombination der Brand- und Fußgängerdynamik wurde vom FZJ in Zusammenarbeit mit Team HF konzeptioniert und implementiert. Die Kopplung ermöglicht es nun, den Verlauf des Verrauchungszustands bei der Evakuierungssimulation zu berücksichtigen.

Neben dem Einsatz von bereits existierenden Simulationswerkzeugen werden im OPRHEUS-Projekt auch Konzepte und Beispielimplementierungen von neuen numerischen Modellen erforscht. Dabei stehen zwei Aspekte im Fokus der Forscher des FZJ: Zum einen sind es gitter-adaptive Methoden, bei denen mit gleichbleibendem Rechenaufwand genauere Berechnungen der Rauchausbreitung möglich sind. 

Dieses Modell eignet sich besonders gut, um auf Parallelrechnern eingesetzt zu werden. Zum anderen wird ein Konzept für ein Echtzeitprognose-Modell erforscht. Hierbei kommt eine beschleunigende Computerhardware (GPU) zum Einsatz, um die benötigte Rechenzeit deutlich zu reduzieren.

Das ORPHEUS-Projekt hat bereits während seiner Laufzeit ein breites Spektrum an Ergebnissen für den Brandschutz hervorgebracht. Neben den technischen Ergebnissen werden im Rahmen der von Team HF und IBIT veranstalteten Expertenworkshops die interorganisationalen Aspekte des Systems U-Bahn diskutiert und insbesondere, was zur Verbesserung der Zusammenarbeit der Akteure beiträgt. 

Die Entwicklung von technischen Maßnahmen und die neu gesammelten experimentellen, numerischen und psychologischen Erkenntnisse, welche teilweise bereits in Fachzeitschriften publiziert wurden, gehen über den aktuellen Stand der Technik und Wissenschaft hinaus. So sind trotz der gezielten Untersuchung von U-Bahnstationen die entwickelten Werkzeuge und Konzepte auch auf andere Infrastrukturen übertragbar. 

Insbesondere sind die numerischen Modelle allgemein implementiert und können somit direkt auf andere Frage­stellungen im Brandschutz übertragen werden. Durch die umfangreichen Arbeiten im ORPHEUS-Projekt können Fluchtwege in U-Bahnstationen besser geplant werden. Das komplexe System U-Bahn birgt auch zukünftig noch viele Herausforderungen, wie zum Beispiel das Thema der dynamischen Fluchtweglenkung.