RDA in hohen Hochhäusern

Projektdaten

Das Projekt „Neubau Verwaltungssitz der Europäischen Zentralbank“ in Frankfurt am Main (Bild 1) zeichnet sich durch zwei Hochhäuser von fast 200 m Höhe und deren Verbindung durch ein vierfach unterteiltes Atrium aus. Die denkmalgeschützte, rund 25 m hohe Großmarkthalle ist vor allem durch die Flächenausdehnung von 60 m x 250 m bemerkenswert. Die Dauer von Wettbewerb, Planung und Ausführung betrug insgesamt neun Jahre.

Funktion der RDA

Primäre Schutzziele (PSZ) liegen im Feuerschutz und in der Rauch­frei­haltung, damit Flucht- und Rettungswege sowie die Brand­bekämpfungszugänge nutzbar bleiben. Daraus abgeleitete se­kun­däre Schutzziele (SSZ) betreffen den Rauchschutz-Überdruck im Treppen­haus gegenüber dem Brandgeschoss von mindestens 15 N/m² und die Rauchschutzströmung von Luft aus dem Treppenhaus durch ge­öffnete Türen auf das Brandgeschoss mit ≥ 2 m/s. Ebenso wichtig ist die Öffenbarkeit der Türen auf dem Fluchtweg durch Begrenzung der Öffnungskraft auf ≤ 100 N und eine Reaktionszeit < 3 s zwischen den Betriebszuständen (BZ) „Schutzströmung“ und „Schutzdruck“. In dieser Zeit müssen 90 % der Werte erreicht wer­den [1].

Bei einer Rauchdetektion sendet die Brandmeldeanlage ein Signal an die sicherheitsgerichtete Steuerung der RDA. Die sogenannte Druckbelüftung erzeugt mittels Einblasen von Außenluft in das Treppenhaus und/oder die Schleusen zum notwendigen Flur einen vor Rauch schützenden Überdruck. Sollten die Türen zum Brandgeschoss geöffnet sein, strömt Luft mit 2 m/s vom rauchgeschützten Treppenhaus in das verrauchte Brandgeschoss und ist aus dem notwendigen Flur abzuleiten. Die Brandmeldeanlage erkennt und meldet zudem die dem auslösenden Melder zugeordnete Etage (= Brandgeschoss), da diese Information für die Druckregelfunktionen der RDA relevant ist. Über die Gebäu­de­automation werden weitere Anlagen entsprechend der Brandfall­steuer­matrix angesteuert: So werden z. B. mittels elektrischer Antriebe Fassadenelemente des Brandgeschosses geöffnet und die sonstigen Fassaden geschlossen.

Für die technische Lösung des Rauchschutzes durch Überdruck und gerichtete Strömung bei Flucht- und Rettungswegen sowie Brandbekämpfungszugängen bestehen noch keine einheitlichen Regelwerke. Technische Individual-Lösungen kommen schneller auf den Markt, als autorisierte Betriebserfahrungen ausgewertet und verallgemeinert werden können. Lösungen sind unter Beachtung der Schutzziele für den speziellen Anwendungsfall maßzuschneidern.

Die zwei Hochhaustürme wurden mit je zwei Sicherheitstreppenhäusern und je einem Feuerwehraufzug mit RDA ausgestattet. In der Großmarkthalle befinden sich sieben Spüllüftungsanlagen mit ähnlichen Schutzanforderungen.

Für die RDA wurden deutlich weniger als 1 % der Projektkosten veranschlagt. Diese Anlagen stellen im Havariefall die Flucht oder Rettung von über 2500 Mitarbeitern sicher. Damit erschließt sich die Relevanz dieser Anlagentechnik: Ohne nutzbare RDA keine Nutzung des Gebäudes!

Herausforderungen und Lösungen

Planungsfokus

Aufgrund ihrer Schnittstellen gehören viele Projektbeteiligte zur Planung von RDA. Vermeintlich verantwortet ein Raumlufttechnikplaner die RDA-Planung – dem ist jedoch mitnichten so.

Gestaltende Architekten behandeln angesichts untergeordneter Design-Ansprüche die RDA-Planung oft stiefmütterlich (Bild 2). Doch RDA benötigen seitens koordinierender Architekten Lösungen für Installationsraum, Schächte und Trassen, Fassadenöffnungen, sichere Stromversorgung, Durchbrüche im statisch relevanten, harten Kern und funktionale Luftdurchlässe mit geringer Gestaltungs­freiheit. Dies wird in der Regel in der Vorplanung oder auch im Entwurf der Architektur- und Tragwerksplanung leider oft zu wenig berücksichtigt, was später zu Erschwernissen führt. Brandschutzgutachter legen einen wesentlichen Teil der An­for­derungen für Sonderbauten fest. Gemeinsam mit den Sach­verstän­digen für Raumlufttechnik und Gebäudeautomation können sie sinnvolle Detaillösungen freigeben. Auch im EZB-Projekt wurde die Aufmerksamkeit für die Relevanz der RDA temporär vernachlässigt und zeitversetzt nachgesteuert.

Gewerkeschnittstellen

RDA sind nicht ausschließlich Lüftungsanlagen. Sie haben Schnitt­stellen zu Baukörper (Statik), Fassade, Türen, Oberflächen, Gebäude­automation und elektrischen Anschlüssen. Deshalb müssen Architekten und Fachplaner Raumlufttechnik gemeinsam die Strömungswege festlegen. Nur durch Zusammenarbeit gelingt es dem Architekten und dem Fachplaner, so große Querschnitte an den exponierten Stellen (Fassade, harter Kern) ins Gebäude zu integrieren.

Im EZB-Projekt hatten die Beteiligten die Ableitung des Luftstroms aus dem Flur für zwei RDA zu klein ausgelegt. Canzler musste dann in seiner Position als „Troubleshooter“ nachträglich und unter erschwerten Bedingungen in der Ausführungsplanung eine Alternative im bestehenden Korsett der Archi­tektur planen. Final wurden je vier Stützventilatoren mit Druckregelung erforderlich, um für zu klein bemessene Strömungsquerschnitte die Funktion sicherzustellen.

Simulationen

Bei geometrisch komplexen und in die Höhe ragenden Gebäuden gestalten sich sichere Vorhersagen zur Ein­hal­tung der SSZ sehr aufwendig. Die Planung ge­lingt nur durch ergänzende Simulationen. Immer wieder zeigt sich in Projekten, dass sich durch die sorgfältige Eingabe der Daten komplexe Vorgänge mit hoher Genauigkeit vorhersagen lassen. Damit können im frühen Stadium die Weichen für den Erfolg wirtschaftlicher und bedarfsgerechter Lösungen gestellt werden. Bereits in der Vorplanung werden im Idealfall mehrere Varianten simuliert, um eine optimale Lösung zu erarbeiten. Simulationen sind nur so gut wie die Eingaben und demzufolge durch den Fachplaner zu erstellen oder zu betreuen und mit den Änderungen am Baukörper fortzuschreiben. Für die Türme der EZB wurde ein Spezialist für Strömungssimulationen in Entwurfs- und Aus­führungsplanung beauftragt, um das Erreichen der SSZ nachzuweisen. Durch die enge Füh­rung von Canzler bildeten die Simulationen und deren Varianten exakt das Gebäude ab, so dass die Simulationsergebnis­se eine belastbare Grundlage der Planung darstellten.

Undichtigkeiten

Die Überdruckhaltung funktio­niert nur bei hinreichend redu­zier­tem freien Querschnitt un­ge­wollter Öffnungen in Beton, Trockenbau, Doppelbodenkonstruk­tionen, Brand­schotts, Türen und Fassaden. Deshalb müssen die Architekten entscheiden, mit welcher Qualität die Gebäudedichtigkeit zu planen ist ([1], Pkt. A6.2).

Im EZB-Projekt waren diese Vorgaben unzureichend gegeben worden. Aufgrund der bau­ty­pi­schen Leckagen waren die ge­bauten Kanalwege und die mon­tierten Ventilatoren von zwei Spüllüftungsanlagen zu gering bemessen und nachzubessern.

Volumenströme

bedarfsgerecht umlenken

Der Wechsel zwischen den BZ „Trep­penhaus-Schutzdruck“ und „Brandgeschoss-Schutzströ­mung“ erfordert geeignete Re­gel­ein­richtungen, um die Vo­lu­men­ströme innerhalb von 3 s umzulenken.

Regelklappen sind mit 2,5 s für 90° hinreichend schnell, da bereits bei ≥ 15° Öffnungswinkel – also vor Ablauf einer Sekunde – der Impuls zu wirken beginnt. Neben den Regelklappen sind auch die Reaktionszeiten der Ventilatoren zu beachten. Die Dauer für die Speicherung von Bewegungsarbeit im rotierenden Ventilator-Laufrad erfordert konstante Drehzahlen und eine Lenkung konstanter Volumenströme (siehe Bild 3). Damit die RDA den SSZ (Druck, Strömung, Regelgeschwindigkeit) genügt, wurde im Projekt EZB ein Bypass nahe den Außenluft-Ventilatoren ergänzt (siehe Bilder 4 und 5).

Bild 3 zeigt die herkömmliche Lösung ohne Bypass-Schaltung mit den Problemen der überhöhten Türöffnungskräfte und Umschaltdauer > 3 s. In einem Treppenhaus mit relativ hohem Druckverlust kann die RDA nicht hinreichend auf die Umschaltvorgänge reagieren, die durch Öffnen und Schließen der Brandetage im Fluchtfall entstehen.

Bild 4 zeigt den BZ Schutzdruckhaltung. Der reduzierte Volu­men­strom im Treppenhaus eignet sich, um bei Einhaltung der Tür­öffnungskräfte einen hinreichenden Schutzdruck aufzubauen. Bild 5 zeigt den BZ Schutzströmung. Der konstant hohe Volumenstrom am Ventilator ist geeignet, bei Türöffnung schnell die Schutzströmung ins Brandgeschoss bereitzustellen.

Angemessene Ausfallsicherheit

Maßnahmen gegen Ausfall können die Technik erheblich verteuern und verkomplizieren. Angesichts von zwei baurechtlich ge­forderten Sicherheitstreppenhäusern in Hochhäusern höher als 60 m besteht eine Redundanz n+1. Da mit dem Brandereignis bereits ein Schadensereignis zu verzeichnen ist, kommt dem Sze­nario „Zusätzlicher Komponentenausfall“ keine besondere Bedeutung zu. Durch das Versagen von Komponenten, z. B. Fördern von Außenluft in das Treppenhaus bei ungewollt geschlossener Druckentlastungsklappe, darf keine Gefährdung entstehen. Am Beispiel der Parallelströmung durch die Druckentlastungsklappen mit stromlos offenem Federrücklaufmotor am Treppenhauskopf (Bild 6) soll gezeigt werden, dass eine teilredundante Ausführung mit Betrachtung zum Komponentenausfall in den meisten Fällen genügt.

Klärung der Betriebszustände (BZ)

Brandschutzgutachten fordern neben der RDA-Funktion oft den BZ „Spülen“. Dieser ist zu definieren. Er ist gewollt bei Handaus­lösung oder Brand im Atrium, also bei Szenarien ohne exakte Brandgeschosszuordnung. Das Folgeszenario einer nach Handauslösung stattfindenden „Rauchdetektion mit Brandgeschosszuordnung“ ist abzustimmen. Wichtig ist zudem, dass die Feuerwehrtableaus neben „Aus“ und „Auto“ auch eindeutig die BZ „RDA ein“ (BZ mit Brandgeschoss­zu­ordnung)“ und „Spülbetrieb ein“ (BZ ohne Brandgeschosszuord­nung) enthalten.

Türöffnungskräfte und Schließen nach Nutzung

Die Öffnungskraft der Türen in Fluchtrichtung gegen Überdruck soll 100 N nicht überschreiten. Deshalb müssen bei der Planung die Kraft durch Überdruck, die Kraft zum Spannen des Obentürschließers (OTS) und die Überwindung der Haftreibung einbezogen werden. Das sichere Schließen dieser Tür stellt in der Regel kein Problem dar. Hier sollte auf Dämpfungseigenschaften der oft heftig zuschlagenden Türen geachtet werden. Da selbst die Türbreite einen wesentlichen Einfluss auf die Türkräfte ausübt, muss die Auslegung frühzeitig im Planungsprozess erfolgen.

In Fluchtrichtung aus dem druckgeschützten Treppenhaus lassen sich die Türen gegen den geringeren Druck meist problemlos öffnen. Einzig Eis, Schnee und Streugut stellen hindernde Einflüsse dar. Doch sind die OTS in der Lage, die Tür sicher zu schließen und damit für das Treppenhaus den Schutzdruck sicherzustellen? Wirken Windkräfte auf das offenstehende Türblatt, ist schnell die Leistungsfähigkeit mechanischer OTS erreicht und eine elektrische Unterstützung erforderlich. Welche Windgeschwindigkeiten anzusetzen sind, ist individuell abzustimmen. Im Einzelfall helfen Häufigkeitsmessungen von Windrichtung und Windgeschwindigkeit, um die Gefahr durch Windkräfte abzuschätzen. Eine Gefährdungsanalyse kann als Grundlage einer Sachverständigenzustimmung dienen. Bild 7 zeigt die typischen geometrischen Verhältnisse bei einer 2 m² großen Tür und eines OTS, der mit 60 Nm die Tür zu schließen versucht. Bei Windstärke 7 ist das offen haltende Moment bereits größer als das schließende [2].

Inbetriebnahme

Die Funktion der RDA ist nicht allein durch die Anlagenbaufirma Raumlufttechnik zu garantieren. Der Bauherr ist aufgrund des Zu­sam­menspiels vieler Beteiligter gut beraten, hierfür ein Gewerke übergreifendes Inbetriebnahme-Team (GIT) zu organisieren, wel­ches plant und führt. Aufgrund Terminplanstauchungen ist gegen Bauzeitende ein Spitzenwert der Bauaktivitäten zu verzeichnen. Die endgültige Funktionsbereitstellung gelingt für viele Gewerke in einem kurzen Zeitraum. Angesichts großer Vernetzungen der RDA, der Elektroanlagen und der Gebäudeautomation kommt es bei gleichzeitigen Inbetriebnahme-Aktivitäten leicht zu ungewollten gegenseitigen Behinderungen. Deshalb sollten alle Ressourcen durch das GIT zeitexakt geplant werden. Überschneidungen von In­betrieb­nahmen mit Ineffizienzen sowie Funktionstests noch nicht fertiggestellter Anlagen sind in dieser Bauphase typisch. Um Termine einzuhalten, sind im Vorfeld hinreichende Ressourcen bezüglich Personal und Zeit/Geld zu planen und zu beauftragen. Beim Vorhaben EZB gelang dies durch die Weitsicht der Bauabtei­lung des Auftraggebers und der Projektsteuerung. Da RDA zur Wahr­nehmung der Schutzfunktion mit sicherheitsgerichteten Steue­run­gen ausgestattet werden müssen, führte der Sachverständige für Gebäudeautomation im Rahmen der Interaktionsprüfungen um­fangreiche Funktionstests durch.

Bei allen Großprojekten wird die Inbetriebnahme nach VDI oder anderen Vorgaben im Detail geplant. Dazu gehören neben der Inbetriebnahme auch die Einweisung des Betreibers und die Begleitung des Betriebs während der Anlaufphase bis zur finalen Einregulierung aller Anlagen – über alle Jahreszeiten und Betriebszustände hinweg. Canzler plant und begleitet die Gewerke übergreifenden Inbetriebnahmen als externer Dritter oder übernimmt diese Aufgabe im Rahmen von Planungs- oder Projektmanagementaufträgen. Außerdem ist Canzler auch als Sachverständiger für Gewerke übergreifende Abnahmen tätig.

Anlagenbetrieb

Um den Anlagenbetrieb sicherzustellen, müssen Wartungen, Probebetrieb und wiederkehrende Funktionsprüfungen der Brandfallmatrixfunktionen durch Experten und Sachverständige durchgeführt werden. In regelmäßigen Abständen hat auch die Schulungen der Betreiber und Nutzer zu erfolgen.

Die Richtlinien VDI 6010, Blatt 3 [3] und zunehmend auch die Landesbauordnungen schreiben die Durchführung von Vollfunktionstests und Wirkprinzipprüfungen für sicherheitstechnische Einrichtungen verpflichtend vor.

Fazit

Gebäude besonderer Höhe und Nutzung verfügen fast immer über RDA. Diese können sehr erfolgreich geplant, erstellt und in Betrieb genommen werden. Das Wissen erfahrener Fachplaner ist in frühen Planungsphasen zu berücksichtigen. Erfahrene Architekten und Projektsteuerer sollten die Planung und Integration in den Baukörper forcieren und den technischen Erfordernissen der RDA Raum verschaffen.

Trotz der typischen Schwierig­keiten eines Großprojekts gelang es beim Bauvorhaben der EZB durch das Engagement und das Zusammenwirken vieler Projektbeteiligter, funktionierende RDA termingerecht für die Nutzung bereitzustellen. Die eingesetzten technischen Lösungen sind flächeneffizient, wirtschaftlich und gewähren sicher die Einhaltung der Schutzziele. Von den vorliegenden Erfahrungswerten aus dem Erstellen und Umsetzen der Planungsergebnisse können zukünftige Projekte in puncto Kosten, Termine und erforderliche Qualitäten erheblich profitieren.

Literatur