Studienarbeit  von Markus Ehm & Jan Linxweiler
Grundlagen von Evakuierungsberechnungen

Kapitel 3 Grundlagen von Evakuierungsberechnungen

Es ist bereits mehrfach erwähnt worden, dass die Gewährleistung der Personensicherheit das oberste Gebot des Brandschutzes ist. Ein wesentlicher Gesichtspunkt für den Personenschutz im Brandfall, insbesondere bei Versammlungsstätten, ist die Sicherstellung der zeitgerechten Evakuierung der Gebäude. Ein wichtiger Einflussfaktor auf die Entfluchtung oder Rettung ist das menschliche Verhalten, das schwer einzuschätzen ist. Aus diesem Grund ist die Zeitspanne der Evakuierung, beginnend mit dem Erkennen des Feuers, dem Setzen von ersten Maßnahmen, dem Ablauf der Flucht bis hin zum Eintreffen der Feuerwehr, nur schwer festlegbar. Des Weiteren wird die Flucht ganz wesentlich von den vorhandenen Fluchtwegbreiten und den Rettungsweglängen im Gebäude abhängen. Darüber hinaus können Brandgase bzw. Brandrauch, die auf den menschlichen Körper einwirken, eine Flucht beeinträchtigen oder sogar verhindern.
Grundsätzlich gibt es somit drei wesentliche Faktoren, welche bei einer Evakuierung von Gebäuden zu betrachten sind:

• Einflussfaktor – Mensch (Personenströme)
• Einflussfaktor – Gebäude (Rettungswege)
• Einflussfaktor – Feuer (Brandrauch)

3.1 Faktor Mensch  

Gerade die unterschiedlichen psychischen und physischen Reaktionen der Menschen auf ein Brandereignis stellen einen großen Unsicherheitsfaktor dar. Dazu ist das Verstehen von menschlichen Verhaltensmustern, Panikverhalten und Gruppenbildungen besonders wichtig. Darüber hinaus ist auch der physische (Mobilität) und psychische (Tabletten, Alkohol) Zustand der Person zum Zeitpunkt des Brandes von großer Bedeutung. Neben psychologischen Effekten haben auch bauliche Gegebenheiten einen großen Einfluss auf das Verhalten des Menschen bei einem Gebäudebrand. Dabei spielen die Zugänglichkeit sowie Breite und Länge der vorgesehenen Rettungswege eine maßgebende Rolle. Diesbezüglich werden Parameter wie effektive Wegbreite, Personenfluss, Flächenbedarf und Bewegungsgeschwindigkeit sowie deren Auswirkung auf die Evakuierungszeit bestimmt. Es muss jedoch beachtet werden, dass die grundlegenden Berechnungsdaten auf empirischen Untersuchungen beruhen, welche in der Regel unter „normalen“ Bedingungen durchgeführt werden, wie z.B. Personenstrommessungen in öffentlichen Gebäuden oder Einkaufszentren. Es ist unmöglich, tatsächliche Gefahrenbedingungen (verrauchte Gebäude etc.) für Personenmessungen zu schaffen. Das bedeutet, dass die Berechnungen sich immer auf Beobachtungen unter „angenäherten“ Gefahrenbedingungen stützen.

Die Faktoren, die das menschliche Verhalten im Brandfall bestimmen, werden grundsätzlich nach drei Kategorien eingeteilt:

• Erfahrung und Bewusstsein: z.B. das Wissen über das Ausmaß des Feuers, Kenntnisse wie man auf Feuer reagiert, Konditionierung der Alarmsignale, soziale Rolle des einzelnen
• Physische Fähigkeiten: allgemeines Reagieren auf Alarm, Mobilitätseinschränkungen, Sinneswahrnehmungen (Sehen, Hören, Riechen)
• Personenverteilung: Anzahl und Verteilung der Menschen im Gebäude

3.1.1 Verhalten von Personen im Brandfall 

Die Kenntnis über das menschliche Verhalten im Brandfall ist von hoher Bedeutung für die Planung der Fluchtwege. Die Reaktionen der Menschen in Extremsituationen sind sehr unterschiedlich. Dabei kommt es oftmals dazu, dass die Grenzen der Leistungsfähigkeit übersehen werden. Der Ausgang eines Brandereignisses wird häufig vom Verhalten der beteiligten Personen mitbestimmt. Fehlverhalten und –einschätzungen können hier schlimme Folgen haben.
Für die meisten Menschen ist die Konfrontation mit einem Brand ein äußerst seltenes Ereignis, so dass die wenigsten Menschen Erfahrungen mit dem Umgang einer derartigen Situation haben. Das Verhalten dieser Personen in einer solchen Lage ist daher rein instinktiv. Die Bedrohung, welche von einem Brand ausgeht, ist für die betroffenen Menschen mit besonderem Stress verbunden. Ursächlich ist dafür u.a., dass sich Brandsituationen sehr schnell ändern können. Scheinbar richtig getroffene Entscheidungen können die Personen Augenblicke später in ausweglose Situationen führen. Demgegenüber können Menschen, die für den Umgang mit Brandereignissen geschult sind, mit derartigen Ereignissen besser umgehen, bleiben ruhig und überlegen die erforderliche Vorgehensweise.
Die Wissenschaft ist bestrebt, das Verhalten vom Brand betroffener Personen von der Wahrnehmung bis zum Verlassen des Gebäudes schrittweise nachzuvollziehen. Aus Untersuchungen von Brandereignissen und den betroffenen Personen hat man folgende Verhaltenmuster abgeleitet:

• Menschen sind bestrebt denselben Weg hinaus zu benutzen, auf dem sie hineingekommen sind.
• Hinweisschilder (z.B. Notausgangsschilder) werden nicht wahrgenommen. Diese sollten folglich in Gefahrensituationen durch Wechsel der Farbe oder Leuchtkraft besonders hervorgehoben werden.
• Alarmsignale werden bei ständiger Wiederholung als bedeutungslos (lästig) empfunden.
• Der Mensch wählt ständig zwischen vorhandenen alternativen Aktivitäten. Eine Reaktion auf einen Feueralarm konkurriert mit einer gerade stattfindenden Handlung wie z.B. einem Einkauf.

Das Fluchtverhalten von Menschen in Gefahrensituationen ist allerdings nicht nur von den oben genannten Verhaltensmustern geprägt, sondern ebenso von der individuellen Persönlichkeit sowie dem sozialen und kulturellen Umfeld des Einzelnen. Gemäß [4], [5] können Menschen in derartigen Situationen in die folgenden Gruppen eingeteilt werden:

Gruppe 1: 10-15% Personen reagieren rational, geeignet für leitende Positionen

Gruppe 2: ~ 70% Personen sind „betrübt“ und eher unruhig; Gruppe 2 kann durchklare Anweisungen beeinflusst werden

Gruppe 3: 10-15% Personen reagieren unberechenbar;Erstarrung,Kopflosigkeit, blinde Flucht

3.1.2 Panikreaktion 

Als Panikreaktion wird das Verhalten eines einzelnen oder mehrerer Menschen bezeichnet, möglichst schnell einen Ausweg aus einer lebensbedrohlichen Gefahrensituation zu finden. Eine Panik ist eine Fluchtsituation, die durch nichts gestoppt werden kann. Sie führt zu rücksichtslosem Verhalten der Betroffenen und mündet nicht selten in einem Kampf ums Überleben. Im Folgenden sind die Faktoren aufgeführt, die nach Aussage von Verhaltens- und Panikforschern für das Entstehen einer Panik ursächlich sind:

• Voraussetzung: Vorhandensein einer Vielzahl von Menschen (Menschenansammlung können zufällig sein oder über längere Zeit bestehen)
• Menschenmenge ist in einem begrenzten Raum, Verhältnis Personenanzahl zu Grundfläche ist entscheidend (hohe Personendichte)
• Menschenmenge ist fiktiv oder tatsächlich bedroht, das Gefühlsleben wird massiv beeinflußt
• Auslöser können externe Bedingungen sein (z.B. Brand, Erdbeben, Unwetter) und/oder innere Einwirkungen (z.B. Fußballfans) und/oder technische und bauliche Mängel (z.B. verschlossene Türen, nicht Beachten von brandschutztechnischen Vorschriften)

Ein immer wieder auftretendes Szenario bei Brandfällen ist, dass sich einzelne Personen allein gelassen fühlen und infolge dessen von starker Angst befallen werden. In diesem Zustand ist es den Personen unmöglich, klare Entscheidungen treffen zu können. Dadurch kommt es sehr häufig zu falschen Einschätzungen und Fehlverhalten der betreffenden Personen, die oft schlimme Folgen haben.
Eine Panik wird meist begleitet von einer typischen Fluchtreaktion, die in mehrere Phasen unterteilt werden kann. Sie beginnt mit der ersten Phase, die als Flucht-Auslöser bezeichnet wird. Darauf folgt die Phase der Fluchtreaktion, die in einen Bewegungssturm übergeht und endet in der so genannten Entspannungsphase. In dieser Phase kommt es zum Erschlaffen der Arme und Beine. Die Zeitdauer der einzelnen Phasen ist dabei individuell.
Wenn es bei Brandereignissen zu Panikreaktionen größerer Personengruppen kommt, bildet sich meist ein Fluchtstrom aus, bei dem sich die Menschenmasse mit einer gewissen Geschwindigkeit in eine Richtung bewegt. Die einzelnen Personen innerhalb dieses Stromes weisen häufig ein unkontrolliertes und rücksichtsloses Verhalten auf. Kommt es infolge von Engstellen (Notausgängen) und Raumbegrenzungen zum Stillstand des Fluchtstromes, so kann es durch die nachdrängenden Personen zum Aufbau eines hohen Staudruckes kommen. Dies führt häufig zu schweren Verletzungen der involvierten Personen. Die größte Gefahr für die einzelnen Personen besteht jedoch darin, dass es zu zeitlich versetzten Entspannungsphasen kommt, während derer die ermüdeten Personen von der übrigen Menschenmasse mitgerissen und überrannt werden.

3.2 Verfahren zur Ermittlung von Evakuierungszeiten  

3.2.1 Vereinfachte Verfahren  

Zu den vereinfachten Verfahren zur Planung und Dimensionierung von Flucht- und Rettungswegen gehören die so genannten deskriptiven Bemessungsverfahren. Bei dieser Methode werden die Anzahl und Breiten der Rettungswege nach dem heutigen Wissensstand und den Erfahrungen im bandschutztechnischen Bereich bestimmt. Deskriptive Bemessungsverfahren bilden in vielen Ländern, wie auch in Deutschland, die Grundlage für Richtlinien und Bauvorschriften. So ist die in Abschnitt 2.3 beschriebene Musterversammlungsstättenverordnung den deskriptiven Verfahren zuzuordnen. Das Kriterium zur Beurteilung der Evakuierung im Brandfall ist bei diesen Verfahren der Nachweis, dass die Evakuierung abgeschlossen ist, bevor die Flüchtenden vom Brand direkt betroffen sind. Im Fall der MVStättV und der MIndBauRL wird dies durch die Einhaltung einer raucharmen Schicht von mehr als 2,50 m gewährleistet. Der Vorteil der vereinfachten Verfahren liegt eben darin begründet, dass sie sich sehr einfach anwenden lassen. Nachteilig ist allerdings, dass die Vorschriften in der Regel für alle Gebäudetypen gleich sind. Zusätzliche Evakuierungsberechnungen sind also dann notwendig, wenn aufgrund der Komplexität des betreffenden Gebäudes oder einer großen Anzahl an Personen, z.B. in Versammlungsstätten, eine sichere Entfluchtung nicht unmittelbar gewährleistet werden kann. Weiterhin sind zusätzliche Berechnungen dann vonnöten, wenn die in den Verordnungen geforderten Mindestbreiten oder Maximallängen der Rettungs- und Fluchtwege deutlich unter bzw. überschritten werden. In derartigen Fällen kann mittels der nachfolgend beschriebenen ingenieurmäßigen Berechnungsverfahren eine zeitgerechte Entfluchtung bestätigt werden. [13]

3.2.2 Ingenieurmäßige Berechnungsverfahren  

Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher ingenieurmäßiger Evakuierungsmodelle. Die Modelle reichen von einfachen empirisch abgeleiteten Formeln bis zu komplexen rechnergestützten Simulationsmodellen. Dabei lassen sich die Verfahren nach [6] in folgende Hauptgruppen unterteilen:

• Analytische Verfahren
• Empirische Formeln für Kapazitätsanalysen
• Hydraulische Modelle und Netzwerkmodelle
• Simulationsmodelle

Anders als bei den vereinfachten Berechnungsverfahren erfolgt der Nachweis einer sicheren Entfluchtung bei den ingenieurmäßigen Verfahren dadurch, dass die berechnete Evakuierungszeit deutlich kleiner ist als der Zeitraum bis zum Eintritt lebensbedrohlicher Bedingungen.

Analytische Verfahren  

Analytische Methoden zur Berechnung von Evakuierungszeiten verlangen ein hohes Maß an Wissen über das Verhalten, die psychischen Fähigkeiten und die sozialen Beziehungen von Menschen während einer Evakuierung. Die Berechnung der gesamten Evakuierungszeit erfolgt hierbei durch Summation einzelner Zeitspannen, die während einer Evakuierung auftreten (z.B. Branddetektion, Reaktionszeit, Flucht, etc.). Für die einzelnen Parameter existieren Richtwerte, die auf Studien und gesammelten Erfahrungen basieren. Aufgrund der bereits erwähnten notwendigen Kenntnis des Verhaltens von Menschen in Gefahrensituationen und der Tatsache, dass analytische Methoden nur schwer bei komplexen Gebäudegeometrien angewandt werden können, sind derartige Verfahren bislang noch nicht sehr weit verbreitet. Angesichts großer Fortschritte in diesem Bereich kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Methode in Zukunft mehr Verwendung finden wird. Im Building Code von Neuseeland sind bereits Richtlinien erlassen worden, die eine Berechnung der Evakuierungszeit mittels analytischer Verfahren und die daraus resultierende Dimensionierung der Rettungswege vorsehen.

Empirische Formeln für Kapazitätsanalysen  

Die Berechnung der Entfluchtungszeit erfolgt bei diesen Modellen über die Betrachtung der Kapazitäten kritischer Elemente der Rettungswege. Diese Elemente sind im Allgemeinen vorhandene Türen, Treppen und Flure. Ein Maß für die Kapazität in diesem Zusammenhang ist die maximale Anzahl an Personen, die einen Bereich definierter Breite pro Zeiteinheit passieren kann. Zur Bestimmung des zugehörigen maximalen Personenstromes wird die effektive Breite des betreffenden Wegelements mit der entsprechenden Größe multipliziert. Maßgebend für die Berechnung der Evakuierungszeit ist dabei das Wegelement mit der geringsten Durchflussrate. Es wirkt folglich als „Nadelöhr“ und bestimmt somit die mögliche Räumungszeit. Die den Berechnungsverfahren zugrunde liegenden Kapazitäten basieren auf empirischem Datenmaterial. Der Gültigkeitsbereich der Verfahren ist daher auf die Bereiche des vorhandenen Datenmaterials beschränkt. Weiterhin ist zu beachten, dass von den Berechnungsverfahren keine individuellen Aspekte der betroffenen Personen berücksichtigt werden. Größere Probleme ergeben sich auch dann, wenn mehrere Personenströme zusammengeführt werden oder Fluchwegalternativen zu einem Aufspalten der Ströme führen. Für derartig komplexe Vorgänge ist es ratsam, eines der nachfolgend beschriebenen Berechnungsverfahren zu verwenden.

Hydraulische Modelle und Netzwerkmodelle  

Die Hydraulischen Modelle sowie auch die Netzwerkmodelle basieren ebenfalls auf den empirischen Relationen der oben beschriebenen Kapazitätsanalysen. Jedoch wird bei diesen Verfahren der Personenstrom in seiner Gesamtheit als ein Fluides Medium betrachtet, das durch ein fiktives Leitungssystem (Rettungswege) fließt. Die maßgeblichen Parameter des Strömungsprozesses sind die Fortbewegungsgeschwindigkeit und die Personendichte. Die notwendigen Informationen zur Beschreibung des Strömungsgebietes sind in erster Linie die vorhandenen Längen und Breiten der Rettungswege und der vorhandenen Ausgänge. Wie auch bei den vorausgehend beschriebenen Kapazitätsanalysen ist bei diesem Modell darauf zu achten, dass die eingesetzten empirischen Relationen für den Anwendungsfall validiert sind, da sie die Beziehungen zwischen Geschwindigkeit und Dichte des Personenstromes maßgeblich bestimmen.
Die Berechnung von Evakuierungszeiten unter Ansatz eines hydraulischen Modells bedarf nicht zwangsläufig des Einsatzes von Computern. Sie kann weiterhin per Hand durchgeführt werden und ist zumeist übersichtlich und gut nachvollziehbar. Sehr aufwendig werden die Verfahren allerdings dann, wenn infolge komplexer Geometrien Detailbetrachtungen erforderlich sind. Nachteilig ist außerdem, dass derartige Berechnungsverfahren brandbedingte Aspekte nur ansatzweise berücksichtigen. Als Beispiel für ein Hydraulisches Modell kann das in Abschnitt 5 beschriebene Verfahren nach Predtetschenski und Milinski angeführt werden.

Simulationsmodelle  

Für Evakuierungsberechnungen, speziell mittels Computern, existiert mit den Individualmodellen eine weitere Methode. Der Berechnungsansatz, der hierbei verfolgt wird, sieht vor, dass die einzelnen Personen innerhalb eines Personenstromes als eigenständige Individuen betrachtet werden. An Stelle der empirischen Korrelationsfunktionen der oben beschriebenen Verfahren fließen bei dieser Berechnungsmethode bestimmte physische und psychische Merkmale (Geschlecht, Mobilität, Verhaltensmuster) der betrachteten Personengruppen in die Berechnung ein. Diese Parameter können individuell vorgegeben oder statistisch verteilt angenommen werden. Obwohl der Ansatz bei den meisten Individualmodellen ähnlich ist, gibt es in den Berechnungen doch beträchtliche Unterschiede. In erster Linie bestehen die Unterschiede darin, wie die zugrunde liegende Gebäudegeometrie in die Simulation einfließt. Ein leistungsfähiges Individualmodell sollte unter diesem Aspekt die Bewegung der Personen in einer dreidimensionalen Geometrie beschreiben. Die Abbildung der realen Gebäudegeometrien und Rahmenbedingungen auf das Simulationsmodell sollte dabei mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, die alle wichtigen Details berücksichtigt. Somit wird die Anwendung dieser Verfahren auch für Gebäude mit komplexen Geometrien ermöglicht. Die Ergebnisse der Simulationen sind im Allgemeinen nicht in Form einer exakten Evakuierungszeit. Dies wäre auch unter realen Bedingungen bei Evakuierungsübungen niemals zu erwarten. Vielmehr würde als Ergebnis für ein bestimmtes Szenario eine Verteilung der Entfluchtungszeit der Realität entsprechen. Die Ergebnisse der einzelnen Evakuierungsberechnungen lassen sich somit statistisch auswerten. Ein weiterer Vorteil der Simulationsmodelle besteht darin, durch die einfache Möglichkeit, die Parameter der Simulation seitens des Verhaltens der Personen oder der Gebäudegeometrie zu verändern, schnell Varianten berechnen zu können. Da die Simulationsergebnisse im Allgemeinen maßgeblich von den Eingangsparametern für z.B. die physischen Fähigkeiten der Personengruppen bestimmt werden, sollten diese mit Bedacht gewählt werden. Der Einfluss des Brandgeschehens (Brandgase, Temperatur) auf die Verhaltensmuster und die physischen Fähigkeiten der Personen wird von den Simulationsprogrammen ebenfalls modelliert, allerdings wird das individuelle Verhalten der Personen in Gefahrenbedingungen (z.B. Panik) nur ansatzweise beschrieben. Eine genauere Betrachtung des Simulationsprogramms buildingExodus erfolgt im Anschluss an dieses Kapitel.