Simulation vs. Realität - Anwendbarkeit von Evakuierungssimulationsprogrammen zur Vorhersage von Räumungszeiten für Bürohochhäuser


Diplomarbeit, 2006

93 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen der Evakuierungsberechnung

3 Arten von Evakuierungsberechnungen
3.1 Handrechenverfahren
3.2 Computersimulationsprogramme
3.2.1 Simulex
3.2.2 PedGo
3.2.3 buildingEXODUS

4 Zur Evakuierung ausgewählte Gebäude
4.1 Mannesmann-Hochhaus
4.2 Bayer-Hochhaus
4.3 Unilever-Hochhaus

5 Simulationsvorbereitung und -durchführung
5.1 Personenkonfiguration Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
5.1.1 Allgemeines
5.1.2 Freie Laufgeschwindigkeit in der Ebene
5.1.3 Geschwindigkeiten auf Treppen
5.1.4 Zusammenfassende Geschwindigkeitsangaben für die Personenkonfiguration
5.1.5 Reaktionszeit
5.2 Einstellungen in den Programmen
5.2.1 Simulex
5.2.2 PedGo
5.2.3 buildingEXODUS
5.3 Eingabe des Grundrisses und der Anzahl der Personen
5.3.1 Allgemeines
5.3.2 Simulex
5.3.3 PedGo
5.3.4 buildingEXODUS
5.4 Simulationsdurchführung
5.4.1 Simulex
5.4.2 PedGo
5.4.3 buildingEXODUS

6 Auswertung
6.1 Vergleich der ermittelten minimalen und maximalen Räumungszeiten
6.2 Vergleich der Personenflüsse während der Evakuierung
6.3 Vergleich der Geschossräumungszeiten
6.4 Vergleich Handrechenverfahren – Computersimulationsprogramme

7 Zusammenfassung der Ergebnisse und Fazit

Literaturverzeichnis

Persönliche Erklärung

Danksagung

Mit der vorliegenden Arbeit hoffe ich, mein Bauingenieur-Studium erfolgreich ab­schließen zu können. Deshalb möchte ich mich an dieser Stelle bei allen Menschen be­danken, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. In erster Linie sollen hier meine Frau Claudia und mein kleiner Sohn genannt werden, die mich durch meine un­terschiedlichen Gemütszustände während der Erstellung der Arbeit am meisten „ertra­gen“ mussten. Des Weiteren danke ich Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfram Klingsch, der mir diese Diplomarbeit ermöglicht hat, und Herrn Dipl.-Ing. Christian Rogsch für seine hervorragende Betreuung in dieser Zeit.

Für die Nutzung der Computersimulationsprogramme möchte ich mich stellvertretend für alle Mitarbeiter bei folgenden Firmen bedanken:

- IES Ltd., Glasgow (Simulex)
- TraffGo HT GmbH, Duisburg (PedGo)
- Brandschutz Planung Klingsch GmbH, Düsseldorf

Abstract

Die Bewertung und Optimierung von Rettungswegesystemen kann mit unterschiedli­chen Ingenieurmethoden erfolgen. Diese Methoden beruhen auf makroskopischen oder mikroskopischen Modellen für die Beschreibung von Personenströmen und ermöglichen eine Prognose von Räumungszeiten und maximalen Dichten. Als ein Standardwerk in der Literatur, welches einen makroskopischen Ansatz wählt, gilt das Verfahren nach Predtetschenski und Milinski. Spezifische Eigenschaften einzelner Personen lassen sich hiermit allerdings nicht berücksichtigen. Aus diesem Grund werden nach heutigem Stand der Technik Computersimulationen genutzt, die auf mikroskopischen Modellen beruhen. Diese beschreiben die individuelle Bewegung jedes Fußgängers und ermögli­chen eine Vorhersage des Personenflusses durch das Rettungswegesystem.

In dieser Arbeit werden drei verschiedene Räumungsübungen von Bürohochhäusern mit aktuellen Computersimulationsprogrammen (Simulex 11.1.3, PedGo 2.2.4 und buildingEXODUS V 4.0 Level 2) nachgerechnet und verglichen. Die Ergebnisse von Evakuierungsendzeiten und Personenflüssen zeigen keine exakte Übereinstimmung mit der Realität, aber auch keine übermäßigen Abweichungen. Ein Vergleich mit bereits durchgeführten Handrechenverfahren (makroskopischer Ansatz) erweist sich mit einer Ausnahme (Verfahren nach Galbreath) für die untersuchten Gebäude zwar als zulässig, wirft jedoch einige grundsätzliche Fragen über die Anwendbarkeit von Computersimulationsprogrammen bzw. Handrechenverfahren auf.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Konturen der Bereiche mit gleicher Weglänge zum Ausgang bei Simulex [22]

Abbildung 2: Geschwindigkeits-Dichte-Beziehung bei Simulex [21,22]

Abbildung 3: Inter-Person-Abstandsberechnung bei Simulex [21]

Abbildung 4: Random-Shuffled-Update bei PedGo [7]

Abbildung 5: Sub-Update bei PedGo [7]

Abbildung 6: größtmögliche Personendichte bei buildingEXODUS [6]

Abbildung 7: Grundriss eines Obergeschosses des Mannesmann-Gebäudes [16]

Abbildung 8: Treppenraum zwischen den Normalgeschossen mit Rauchschutztür (Mannesmann) [16]

Abbildung 9: Grundriss eines Obergeschosses des Bayer-Gebäudes [16]

Abbildung 10: Treppenraum zwischen den Normalgeschossen mit Rauchschutztür (Bayer) [16]

Abbildung 11: Grundriss eines Obergeschosses des Unilever-Gebäudes [16]

Abbildung 12: Treppenraum zwischen den Normalgeschossen mit Rauchschutztür (Unilever) [16]

Abbildung 13: Verlauf der Fußgängergeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Lebensalter [26]

Abbildung 14: Verlauf der Fußgängergeschwindigkeiten nach Weidmann [26] und Einteilung der fünf Altersklassen

Abbildung 15: Darstellungen der möglichen Lauflängen

Abbildung 16: Abhängigkeit der Fußgängergeschwindigkeit von der Fußgängerdichte auf Treppen [26]

Abbildung 17: Personendarstellung bei Simulex [24]

Abbildung 18: Einstellungen der Personeneigenschaften bei Simulex

Abbildung 19: Einstellung der Reaktionszeit bei Simulex

Abbildung 20: Personeneinstellungen bei PedGo

Abbildung 21: gedrängte (packed) und gestaffelte (staggered) Personenanordnung auf Treppen [6]

Abbildung 22: Personendefinitionen bei buildingEXODUS

Abbildung 23: Psychologische und Physische Eigenschaften der Personen bei buildingEXODUS

Abbildung 24: Geschwindigkeitseinstellungen bei buildingEXODUS

Abbildung 25: Bereich der Personenverteilung bei Bayer mit Simulex

Abbildung 26: Bereich der Personenverteilung bei Unilever mit buildingEXODUS

Abbildung 27: Darstellung einer Treppe zwischen Ebene 20 und Ebene 21 mit Simulex

Abbildung 28: Darstellung eines Treppenraumes im Unilever-Gebäude mit einer beispielhaften Personenverteilung im Flur bei PedGo

Abbildung 29: Darstellung eines Treppenraumes im Bayer-Gebäude bei PedGo

Abbildung 30: Treppendarstellung bei Mannesmann mit buildingEXODUS

Abbildung 31: Anordnung des Treppenhauses im Unilever-Gebäude mit buildingEXODUS

Abbildung 32: Darstellung einer Geschosstreppe im Unilever-Gebäude mit buildingEXODUS

Abbildung 33: Darstellung eines dreidimensionalen Evakuierungsvorganges bei Mannesmann mit dem Modul VR EXODUS zu Beginn der Evakuierung

Abbildung 34: Darstellung eines dreidimensionalen Evakuierungsvorganges bei Mannesmann mit dem Modul VR EXODUS kurz vor dem Ausgang

Abbildung 35: ermittelte minimale Räumungszeiten beim Mannesmann-Gebäude

Abbildung 36: ermittelte maximale Räumungszeiten beim Mannesmann-Gebäude

Abbildung 37: ermittelte minimale Räumungszeiten beim Bayer-Gebäude

Abbildung 38: ermittelte maximale Räumungszeiten beim Bayer-Gebäude

Abbildung 39: ermittelte minimale Räumungszeiten beim Unilever-Gebäude

Abbildung 40: ermittelte maximale Räumungszeiten beim Unilever-Gebäude

Abbildung 41: ermittelter minimaler Personenfluss beim Mannesmann-Gebäude

Abbildung 42: ermittelter maximaler Personenfluss beim Mannesmann-Gebäude

Abbildung 43: ermittelter minimaler Personenfluss beim Bayer-Gebäude

Abbildung 44: ermittelter maximaler Personenfluss beim Bayer-Gebäude

Abbildung 45: ermittelter minimaler Personenfluss beim Unilever-Gebäude

Abbildung 46: ermittelter maximaler Personenfluss beim Unilever-Gebäude

Abbildung 47: Geschossräumungszeiten ausgewählter Geschosse beim Mannesmann-Gebäude

Abbildung 48: Geschossräumungszeiten ausgewählter Geschosse beim Bayer-Gebäude

Abbildung 49: Geschossräumungszeiten ausgewählter Geschosse beim Unilever-Gebäude

Abbildung 50: Personenzufluss ausgewählter Geschosse beim Mannesmann-Gebäude

Abbildung 51: Personenzufluss ausgewählter Geschosse beim Bayer-Gebäude

Abbildung 52: Personenzufluss ausgewählter Geschosse beim Unilever-Gebäude

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Einflussfaktoren auf die Fußgängergeschwindigkeit [26]

Tabelle 2: Sozialversicherungspflichtig beschäftigte Arbeitnehmer nach Altersgruppen und Geschlecht am 30. Juni 1978 [1]

Tabelle 3: Angepasste Statistik der sozialversicherungspflichtig beschäftigten Arbeitnehmer nach Altersgruppen und Geschlecht am 30. Juni 1978

Tabelle 4: Freie Laufgeschwindigkeit der männlichen Beschäftigten in der Ebene in Abhängigkeit vom Alter

Tabelle 5: Freie Laufgeschwindigkeit der weiblichen Beschäftigten in der Ebene in Abhängigkeit vom Alter.

Tabelle 6: Geschwindigkeiten v (m/s) der einzelnen Personengruppen in Abhängigkeit ihres Geschlechts in der Ebene und auf Treppen. Der Schwankungsbereich beträgt 0,2 m/s

Tabelle 7: Personenbelegung in den Geschossen der drei Gebäude

Tabelle 8: Treppendimensionierung bei Simulex

Tabelle 9: Standardabweichungen der minimalen und maximalen Personenflüsse

Tabelle 10: Evakuierungsendzeiten als Vergleich zwischen dem realen Räumungsversuch, den Handrechenverfahren und den Computersimulationsprogrammen

1 Einleitung

Beim Blick in die Tageszeitung oder beim Verfolgen der Nachrichten in Rundfunk und Fernsehen entsteht der Eindruck, dass sich die Katastrophen in der Welt, insbesondere Naturkatastrophen, häufen. Auch Brandkatastrophen bei Gebäuden, in denen sich viele Menschen aufhalten, bilden trotz geltender und verbesserter Brandschutzbestimmungen ein immer wiederkehrendes Bild in den Schlagzeilen. Großbrände, bei denen nur we­nige bis gar keine Menschen verletzt werden, bewirken ein Aufatmen in der Bevölke­rung, doch nicht immer geht es dabei glimpflich ab. Verstopfte Ausgänge, zu schmal bemessene Ausgänge, überfüllte Räumlichkeiten, die zu Massenpanik führen, fehlende Nutzung näher gelegener Notausgänge, verschlossene Notausgänge oder bauliche Miss­stände haben in der Vergangenheit wiederholt zu großen Katastrophen mit vielen Toten und Verletzten geführt [4,8].

Da solche Brandfälle und die Folgen auch in Zukunft nicht verhindert werden können, stellt sich die Frage, inwieweit durch planerische Maßnahmen die Gefahrenquellen er­kannt und abgemildert, wenn nicht sogar verhindert werden können. Das oberste Ziel dieser Maßnahmen ist die Rettung der Personen im Brandfalle.

Zunächst ist hierfür der vorbeugende bauliche Brandschutz zu nennen, aufgrund dessen der Planer verpflichtet ist, das Gebäude mit einem hohen Maß an Abstimmung, Abwä­gung und Verantwortung zu planen, damit es den Anforderungen zahlreicher in Deutschland vorhandener Richtlinien und Vorschriften entspricht (wie z.B. denen zur Anzahl und Abmessung von Ausgängen oder zur Länge von Fluchtwegen).

Des Weiteren müssen die menschliche Verhaltensweise, seine psychologischen bzw. physiologischen Zustände, die Umgebung sowie etwaige Auswirkungen des Brandes auf die betroffenen Personen berücksichtigt werden. Daher kann die Evakuierungszeit in einem Gebäude – beginnend mit dem Erkennen einer veränderten Situation bis hin zum Verlassen des Gebäudes – sehr unterschiedlich sein. In vielen Fällen ist es sinnvoll, die baurechtlichen Vorschriften durch solche Evakuierungsberechnungen zu ergänzen. Gerade in komplexen Gebäuden wie den in dieser Arbeit untersuchten Bürohochhäusern sind relativ lange Evakuierungszeiten zu erwarten. Mithilfe der hier vorgestellten Er­gebnisse können im Rahmen künftiger Bauprojekte Untersuchungen angestellt werden, die zu Verbesserungen im Hinblick auf Rettungswege und Evakuierungszeiten führen.

Evakuierungszeiten können einerseits mittels Handrechenverfahren berechnet werden. Immer mehr verdrängt werden diese Verfahren jedoch von Computersimulationspro­grammen. Die Anwendbarkeit dieser Computersimulationsprogramme soll durch die vorliegende Arbeit dargestellt werden. Reale Räumungsversuche, die unter anderem an drei verschiedenen Bürohochhäusern durchgeführt und mittels Videokameras ausge­wertet wurden, werden mit den Computersimulationsprogrammen nachsimuliert und anschließend verglichen.

Eine ähnliche Untersuchung hat es bereits in der Vergangenheit gegeben, jedoch handelt es sich hierbei um die Evakuierung eines Theaters [25]. Die vorliegende Arbeit orien­tiert sich an zwei vorliegenden Forschungsberichten aus den Jahren 1976 (Theoriestu­die) [20] bzw. 1978 (reale Räumungsversuche, im Folgenden als „Räumungsbericht“ bezeichnet) [16], in denen die realen Räumungsversuche mittels einiger Handrechenver­fahren verglichen wurden. Bei den hier untersuchten Bürohochhäusern handelt es sich um das Mannesmann-Hochhaus in Düsseldorf, das Bayer-Hochhaus in Leverkusen so­wie das Unilever-Hochhaus in Hamburg. Alle für die Computersimulation notwendigen Vorgaben wie beispielsweise Geometrie oder Abmessungen der Gebäude wurden dem Räumungsbericht entnommen.

Ziel der vorliegenden Arbeit soll sein, dem Leser die Anwendbarkeit von Computersi­mulationsprogrammen für Bürohochhäuser vorzustellen und dabei sowohl die Stärken wie auch die Schwächen herauszuarbeiten. Ein Vergleich mit den im Räumungsbericht angewandten Handrechenverfahren soll Vor- bzw. Nachteile dieser Computersimulati­onsprogramme aufzeigen.

2 Grundlagen der Evakuierungsberechnung

Der wichtigste Grundsatz im Brandschutz besteht im Schutz und in der Rettung von Personen im Brandfall. Im Mittelpunkt steht dabei die Evakuierung. Die Optimierung von Evakuierungszeiten ist ein wichtiges Ziel, doch um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es der Berücksichtigung einiger Einflussfaktoren. Folgende Einflussfaktoren sind von entscheidender Bedeutung:

- der Mensch selbst,
- die Umgebung, in der er sich aufhält,
- das Feuer bzw. der Brandrauch.

Der Mensch stellt hierbei den einflussreichsten und unberechenbarsten Parameter dar. Nie verhalten sich alle Personen im Evakuierungsfall gleich. Nach Benthorn und Frantzich [2] gibt es verschiedene Stufen einer Evakuierungssituation, die die unter­schiedlichen psychologischen Aspekte berücksichtigen:

1. Zunächst nimmt eine Person durch direkte Beobachtungen (Rauch, Feuer) oder in­direkte Informationen (Feueralarm) eine veränderte Situation wahr.

2. Durch die psychische Erregung sucht das Gehirn nach weiteren Informationen über die Situation. Hierbei werden auch gespeicherte Informationen aus seinem Gedächtnis wieder hervorgerufen. Daraus können im Extremfall zwei Situatio­nen entstehen:
- Die Person erregt sich so sehr, dass sie aufhört zu denken und in Panik ver­fällt.
- Die Person erregt sich so wenig, dass sie die Gefahr ignoriert und die Gefahr eines Schadens wächst.

3. Wenn die Person normal erregt geblieben ist, muss sie sich entscheiden, ob sie das Feuer bekämpfen oder davor fliehen soll:
- Erscheint ihr das Risiko relativ klein, wird sie das Feuer bekämpfen.
- Erscheint ihr das Risiko zu groß, wird sie auf schnellstem Wege wegzulau­fen versuchen.

In dieser Stresssituation wird die Wahl des Rettungsweges wiederum durch gewisse Parameter bestimmt: Es ist nicht immer so, dass die Person den direkten Weg zum Aus­gang wählt. Vielmehr spielen die Kenntnis um den Fluchtweg bzw. die Häufigkeit sei­ner Nutzung sowie die Entfernung bis zum Ausgang eine wesentliche Rolle. Oftmals bevorzugen Personen den ihnen bekannten bzw. vertrauten Ausgang, der aber vielleicht weiter entfernt ist als ein nahe gelegener Notausgang. Untersuchungen in einem öffent­lichen Gebäude haben gezeigt, dass Personen den Notausgang erst gewählt haben, nachdem dieser geöffnet war und der ihnen vertraute Haupteingang doppelt so weit ent­fernt war wie der Notausgang [2]. Allgemein hat ein sich im Blickfeld befindlicher ge­öffneter Ausgang zur Folge, dass er aus psychologischen Gründen eher angesteuert wird. Dann spielt auch die Entfernung eine untergeordnetere Rolle.

Die Wahrnehmung von Rauch oder Feuer auf dem Weg ins Freie kann einerseits ein zusätzlicher Grund sein, eine andere Route als die direkte zu wählen. Andererseits muss die Wahrnehmung von Rauch nicht automatisch eine Assoziation mit Feuer und der entsprechenden Gefahrensituation zur Folge haben (z.B. bei Rauch in einer Restaurant­küche).

Neben psychologischen Aspekten spielen auch die physiologischen Voraussetzungen der Personen eine Rolle. Alter, Geschlecht und mögliche Behinderungen können ebenso Einfluss auf die Evakuierung haben wie Körpermaße und Laufgeschwindigkeiten [9,13].

Die in den obigen Abschnitten beschriebenen Aspekte sind Einflussgrößen, die die Personen direkt betreffen und nur schwer in ihrer Fülle komplett erfasst werden können. Weitere Einflussgrößen sind die rational beschreibbaren Aspekte wie die Umgebung der Personen und Rauch bzw. Feuer, die ebenso Einfluss auf die Personen und damit auf die Evakuierung haben. Fluchtwegbreiten, Rettungsweglängen, Gebäudedesign bzw. -konstruktion, Beschilderungen oder Beleuchtung können Evakuierungszeiten reduzieren, wenn sie optimal angelegt sind. Ebenso verhält es sich mit Alarmsystemen. Es ist anzunehmen, dass so genannte informative Evakuierungsalarmsysteme erheblich positivere Auswirkungen auf die Personen haben als konventionelle Alarmsignale wie beispielsweise ein Telefon- oder Schulklassenschellen, das von der Zielgruppe eher als allgemeine Warnung verstanden werden könnte. Durch eindeutige „informative“ Evakuierungsalarmsysteme kann die Zeit reduziert werden, in der die Personen überlegen, wie sie sich verhalten sollen, da sie über die gegenwärtige Situation unmissverständlich informiert werden. Andererseits kann durch Brandrauch und Brandgase, die auf den menschlichen Körper einwirken, eine Flucht beeinträchtigt oder sogar verhindert werden.

Bei der Durchführung von Evakuierungsberechnungen stellt sich die Frage, inwieweit die genannten Aspekte berücksichtigt werden können. Dass dies nicht so einfach ist, verdeutlicht das Beispiel der Evakuierung eines Kindergartens und eines Fußballstadi­ons. Während sich im Kindergarten die Anzahl der Personen und Personengruppe (Kin­der und Betreuer) sowie die den Personen bekannte Örtlichkeit relativ gut erfassen las­sen, sieht dies in einem Fußballstadion anders aus. Die Anzahl der Personen kann nicht vorhergesagt werden, die Personengruppen können viele Altersklassen umfassen und die Örtlichkeit kann zahlreichen Personen, die sich das erste Mal im Stadion befinden, nicht vertraut sein.

Bei der Auswahl einer Personengruppe für eine Evakuierungsberechnung stellt sich eine weitere Frage: Inwieweit hat eine Person Einfluss auf eine andere Person oder eine Gruppe? So kann eine einzelne Person panisch werden und eine Massenpanik auslösen [24], sie kann aber auch beruhigend auf andere Personen einwirken oder sich an anderen Personen orientieren. Nach Forell [4] gibt es bestimmte sich wiederholende Verhal­tensmuster bezogen auf eine Gruppe:

- abwarten, sich an den anderen Personen orientieren,
- die Situation erkennen/den Brand bekämpfen,
- Hilfe anfordern, andere warnen,
- flüchten,
- hilfsbedürftigen Personen bei der Flucht helfen.

Ob und inwieweit die vorstehenden Verhaltensmuster zutreffen, hängt von den Gege­benheiten in den Gebäuden ab.

Die in Deutschland aktuell gültigen Vorschriften untersagen im Evakuierungsfall die Nutzung von technischen Hilfsmitteln wie Fahrstühlen oder Rolltreppen. Es stellt sich die Frage, ob sich demgegenüber eine Nutzung auf die Evakuierungszeit positiv auswir­ken würde. Internationale Untersuchungen bei Hochhäusern haben ergeben, dass eine Verkürzung der Evakuierungszeit erreicht werden kann; die maximale Verkürzung wird dabei durch die kombinierte Nutzung von Aufzügen und Treppen erreicht [11,17]. Eva­kuierungspläne könnten dabei festlegen, von welchen Geschossen aus Fahrstühle und von welchen aus die Treppe genutzt werden soll. Hier wäre auch zu regeln, dass behin­derte Personen beispielsweise die Fahrstühle zuerst benutzen dürfen. Grundsätzlich be­steht immer die Gefahr, dass Fahrstühle überfüllt werden und versagen. Auch die War­tezeit auf einen Fahrstuhl kann ungeduldige Personen dazu bewegen, die Treppe zu nut­zen. Dies kann bei festgelegten Evakuierungsplänen, beispielsweise der gleichmäßigen Nutzung von Fahrstühlen und Treppen, zu einer Überfüllung im Treppenhaus führen und zu einer fehlenden Auslastung der Fahrstühle. Auch dürfte damit zu rechnen sein, dass bestimmte soziale Gruppen auseinander brechen, wenn sie vor der Entscheidung stehen, den Fahrstuhl oder die Treppe zu benutzen. Gerade bei Bürohochhäusern wären daher Evakuierungsübungen notwendig, um die Personen entsprechend zu trainieren.

Im Falle von Hochhäusern in Deutschland sind nach der Hochhausverordnung [23] zwei voneinander unabhängige Treppen oder eine Treppe in einem Sicherheitstreppenraum erforderlich. Bei Gebäuden über 60m sind mindestens zwei voneinander unabhängige Treppen in Sicherheitstreppenräumen erforderlich. Da sich viele Hochhäuser jenseits der 60m befinden, sehen Evakuierungspläne im Evakuierungsfall vor, welche Personen jeweils welchen Treppenraum zu benutzen haben (z.B. bei zwei Treppenräumen nur jedes zweite Geschoss den gleichen Treppenraum). Dies führt zu geringerer Staugefahr auf den Treppen und zur Verringerung der Evakuierungszeit.

Während im folgenden Kapitel die Methoden der Evakuierungsberechnung vorgestellt werden, sollen in den beiden darauf folgenden Kapiteln die untersuchten Gebäude sowie die hierauf bezogene Simulationsvorbereitung und -durchführung anhand der Pro­gramme dokumentiert werden. Im sechsten Kapitel schließlich werden die Ergebnisse ausgewertet. Im letzten Kapitel werden diese zusammengefasst und ein Fazit gezogen.

3 Arten von Evakuierungsberechnungen

Grundsätzlich gibt es zwei Arten, Evakuierungszeiten von Gebäuden zu berechnen: die Berechnung mittels Handrechenverfahren sowie die Berechnung mittels Computersi­mulationsprogrammen. Beide Verfahren dienen der Prüfung und Optimierung von Ret­tungswegesystemen. Es ist mit beiden Verfahren möglich, Personenströme, Dichten oder Evakuierungsendzeiten zu berechnen, jedoch gibt es zwischen beiden Verfahren einige grundlegende Unterschiede. Während die ersten Handrechenverfahren in den 1960-er und 1970-er Jahren ihre erste Anwendung fanden, wurden sie ab den 1990-er Jahren mehr und mehr von den Computersimulationsprogrammen verdrängt. Die Gründe für die Verdrängung liegen sicherlich zum einen in der allgemeinen Computeri­sierung der Gesellschaft, aber auch in den evidenten Vorteilen, die eine Computersimu­lierung bietet. Die erste Simulation erfordert einen ähnlichen Zeitaufwand wie die her­kömmlichen Verfahren. Sobald aber einzelne Parameter verändert und getestet werden sollen, ist dies mit Computersimulationsprogrammen erheblich schneller möglich als mit Handrechenverfahren, bei denen teilweise eine komplette Neurechnung erforderlich wird. Insbesondere bei komplexeren Gebäudegeometrien erfordern Handrechenverfah­ren einen erheblich größeren Aufwand.

Der größte Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht allerdings in den Modellen für die Beschreibung der Personenströme, die den Verfahren zu Grunde liegen. Handre­chenverfahren unterliegen dem makroskopischen Ansatz, sie können Aussagen treffen zu einigen statistischen Größen, nicht aber zu Vorgängen im Inneren des Systems, wie beispielsweise Ort und Geschwindigkeit eines einzelnen Individuums. Dies wiederum können die meisten Computersimulationsprogramme, die auf dem mikroskopischen Ansatz basieren. Anhand der Trajektoren der einzelnen Individuen lassen sich daraus die makroskopischen Größen errechnen. Dies bedeutet zwar eine wesentlich größere Komplexität im Ansatz, letztlich aber mehr und validere Vorhersagen. Allerdings sind den Modellen auch Grenzen gesetzt, z.B. der Gültigkeitsbereich, bei komplexen Com­putersimulationsprogrammen die Rechenkapazität oder wirtschaftliche Belange.

Da die Handrechenverfahren in der vorliegenden Arbeit nicht angewendet werden, sol­len im folgenden Unterkapitel nur die Wichtigsten aufgezählt werden, ehe im darauf folgenden Unterkapitel Computersimulationsprogramme allgemein und die angewen­deten Programme Simulex, PedGo und buildingEXODUS im Besonderen näher erläu­tert werden. Eines ist bei beiden Methoden gleich: Es wird von einer geordneten Eva­kuierung ausgegangen, eine Panik der betroffenen Personen wird nicht angenommen.

3.1 Handrechenverfahren

Das wohl bekannteste und als Standardwerk in der Literatur geltende Verfahren ist das

- Verfahren nach Predtetschenski und Milinski [14].

Des Weiteren gibt es folgende Verfahren, die von Rogsch [15] zusammengefasst wur­den:

- NFPA 130,
- Verfahren nach Roitman,
- Evakuierungszeitenberechnung durch Personenfluss an der Tür.

Die im Räumungsbericht verwendeten und mit dem tatsächlichen Räumungsversuch verglichenen Verfahren sind neben dem nach Predtetschenski und Milinski

- das Verfahren nach Galbreath,
- das Verfahren nach Müller
- und eine selbstentwickelte Gleichung.

In Kapitel 6.4 werden die Ergebnisse der zuletzt erwähnten Verfahren mit den angewen­deten Computersimulationsprogrammen verglichen und diskutiert.

3.2 Computersimulationsprogramme

Wie bereits erwähnt, unterliegen die meisten Computersimulationsprogramme dem mikroskopischen Ansatz. Die Modelle beim mikroskopischen Ansatz unterteilen sich in raumdiskrete und raumkontinuierliche Modelle. Bei raumdiskreten Modellen oder zel­lularen Automaten wird der Raum in Zellen von definierter Größe (meist quadratisch) aufgeteilt, auf denen sich Personen befinden können. Eine Person wird dabei mit seinen Körperausmaßen auf eine Zelle beschränkt. Die Bewegung der Personen erfolgt von einer zur anderen Zelle. Bei raumkontinuierlichen Modellen werden Personen wie Teil­chen mit Koordinaten oder Trajektorien dargestellt, deren Standorte bzw. Bewegungen über Bewegungsgleichungen berechnet werden können. Für die Lösung dieser Bewe­gungsgleichungen stehen verschiedene Algorithmen zur Verfügung. Das bedeutet für die Bewegung der Personen, dass sie sich frei bzw. kontinuierlich im Raum bewegen können, da in Sekundenbruchteilen die Trajektorien neu berechnet werden. Neben dem Einfluss der Körperausmaße auf die Bewegung hat auch die Darstellung der Personen in den Programmen einen eher realistischen Charakter.

Nach Kuligowski [12] gibt es mindestens 28 Computersimulationsprogramme, die Eva­kuierungszeiten berechnen können. Für die vorliegenden Gebäude wurden mit Simulex, PedGo und buildingEXODUS drei Programme ausgewählt, die sich auch in Deutsch­land auf dem Markt befinden. Alle drei Programme unterliegen dem mikroskopischen Ansatz. Im Folgenden werden sie näher erläutert.

3.2.1 Simulex

Dem von Peter Thompson Mitte der 1990-er Jahre anhand von Videoanalysen von Per­sonen entwickelten und von der Firma IES Ltd. in Glasgow vertriebenen Programm Simulex liegt ein raumkontinuierliches Modell zu Grunde [18,21]. Dabei wird der Raum in Bereiche aufgeteilt, die in ihrer Wertigkeit die kürzeste Entfernung zum nächsten Ausgang darstellen (Abbildung 1). Gleiche Konturen stellen Bereiche mit glei­chem Abstand zum Ausgang dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Konturen der Bereiche mit gleicher Weglänge zum Ausgang bei Simulex [22]

Das bedeutet, dass sich Personen, die sich auf einem beliebigen Bereich in diesem Raum befinden, anhand dieses so genannten „Distance-maps“-Verfahrens auf kürzes­tem Wege in Richtung Ausgang bewegen sollen. Um die Abstandswerte zu bestimmen, wird ausgehend vom Ausgang iterativ von einem Bereich zum nächsten Bereich ge­sprungen und die dazukommende Weglänge addiert. Der Zeitschritt für ein Update er­folgt alle 0,1 Sekunden sequentiell. Das bedeutet, dass Geschwindigkeiten, Bewegungs­richtungen und Abstände zum Ausgang für die Personen hintereinander berechnet wer­den. Im Gegensatz zu einem Start eines Formel-1-Rennens, bei dem alle Autos gleich­zeitig starten, ist die sequentielle Vorgehensweise eher dem Anfahren von Fahrzeugen an einer Ampel zu vergleichen, bei der hintereinander losgefahren wird. Die berechne­ten Geschwindigkeiten hängen von den Abständen der Personen untereinander ab und damit von der Personen-Dichte. Diese Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Dichte, auch „Inter-Person-Distance“ genannt, wurde experimentell bestimmt und ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei ca. 30 cm Abstand zwischen den Körpern kommen Perso­nen dabei zum Stehen. Dies verhindert die Möglichkeit, dass Personen durch sich hin­durch gehen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Geschwindigkeits-Dichte-Beziehung bei Simulex [21,22]

Für die Berechnung dieser „Inter-Person-Distance“ wird das in Abbildung 3 dargestellte Schema verwendet. Die genaue Darstellung der Personen bei Simulex in Form von ei­nem Körperkreis und zwei Schulterkreisen wird in Kapitel 5.2.1 und in Abbildung 17 näher beschrieben, da dort auch die festgelegten Radienmaße für die Simulation erläu­tert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Inter-Person-Abstandsberechnung bei Simulex [21]

3.2.2 PedGo

Dem von der Firma TraffGo HT GmbH in Duisburg entwickelten und vertriebenen Computersimulationsprogramm PedGo liegt ein raumdiskretes Modell bzw. ein zellula­rer Automat zu Grunde. Dabei wird der Raum in ein Raster von quadratischen 40 cm-Zellen aufgeteilt. Da sich auf einer Zelle nur maximal eine Person befinden kann, resul­tiert daraus eine maximale Dichte von 6,25 Personen/m². Eine direkte Beziehung zwi­schen Geschwindigkeit und Abstand wie bei Simulex gibt es bei PedGo nicht, vielmehr „werden den einzelnen Zellen Informationen zugewiesen, die die Laufgeschwindigkeit der Personen maßgeblich beeinflussen“ [7]. Die Fortbewegung der Personen erfolgt ähnlich dem Schachspiel „hüpfend“. Die Orientierung der Personen (Richtung Aus­gang) erfolgt über eine so genannte Potentialausbreitung. Diese ist dadurch charakteri­siert, dass sich der Wert einer Zelle mit zunehmendem Abstand von dem Rettungsfeld erhöht. Durch das Markieren von bestimmten Zellen, z.B. Türen oder Treppen, können Routen festgelegt werden, wodurch die Ausbreitung des Potentials gesteuert werden kann.

[...]

Ende der Leseprobe aus 93 Seiten

Details

Titel
Simulation vs. Realität - Anwendbarkeit von Evakuierungssimulationsprogrammen zur Vorhersage von Räumungszeiten für Bürohochhäuser
Hochschule
Bergische Universität Wuppertal
Note
1,0
Autor
Jahr
2006
Seiten
93
Katalognummer
V60185
ISBN (eBook)
9783638539272
ISBN (Buch)
9783656111641
Dateigröße
1888 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Die Bewertung und Optimierung von Rettungswegesystemen kann mit unterschiedlichen Ingenieurmethoden erfolgen. Diese Methoden beruhen auf makroskopischen oder mikroskopischen Modellen für die Beschreibung von Personenströmen und ermöglichen eine Prognose von Räumungszeiten und maximalen Dichten. Als ein Standardwerk in der Literatur, welches einen makroskopischen Ansatz wählt, gilt das Verfahren nach Predtetschenski und Milinski.
Schlagworte
Simulation, Realität, Anwendbarkeit, Evakuierungssimulationsprogrammen, Vorhersage, Räumungszeiten, Bürohochhäuser
Arbeit zitieren
Christoph Kotthaus (Autor), 2006, Simulation vs. Realität - Anwendbarkeit von Evakuierungssimulationsprogrammen zur Vorhersage von Räumungszeiten für Bürohochhäuser, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/60185

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