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2.1.3 Brandrisiken – Scheuermann
Scheuermann, Praxishandbuch Brandschutz, 2016
Autor: Scheuermann
Titel: Praxishandbuch Brandschutz
Herausgeber: Scheuermann
Auflage: 2016
Autor: Scheuermann
Abschnitt: 2 Grundlagen des Brand- und Explosionsschutzes → 2.1 Ziele des Brandschutzes
 

2.1.3 Brandrisiken

Die Risiken eines Schadens durch die beiden Erscheinungsformen unkontrollierter, selbstständig ablaufender exothermer Oxidationen, nämlich die Explosionen und die Brände, beziehen sich zum einen auf die Sachwerte (Gebäude und deren dinglicher Inhalt), zum anderen auf die dort selbst oder in der Nähe sich aufhaltenden Personen. In beiden Fällen resultiert das Gefährdungsrisiko aus dem spezifischen Erscheinungsbild des jeweilig ablaufenden Reaktionstyps. Das Hauptrisiko der Gruppe der Explosionen ist – außer bei Verpuffungen mit extrem niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeiten – in der Wirkung des emittierten Drucks, möglicherweise auch bei verdämmten Explosionen in der Splitterwirkung, zu sehen, wodurch Bausubstanz, Inventar und betroffene Personen mehr oder weniger intensiv geschädigt werden können. Das Hauptrisiko des Brandes in seinen verschiedenen Erscheinungsformen ist hingegen

  • der direkte oder indirekte thermische Schaden durch die relativ langanhaltende Hitzeeinwirkung (thermischer Primärschaden),

  • der indirekte Schaden durch die Brandfolgeerscheinung Rauch, welcher bezüglich der beim Ereignis anwesenden Personen zum Orientierungsverlust und Intoxikationen, im Sachschadensbereich zu teerigen Belägen durch Kondensatdepots, lange anhaftende Geruchsbelästigungen, insbesondere jedoch zu Korrosionserscheinungen an Bausubstanz und Inventar führt (thermischer Sekundärschaden).

Über die Wirkung von Explosionen auf Menschen und Sachwerte braucht hier nicht weiter diskutiert zu werden, da die Auswirkungen der hierbei auftretenden Druckstöße, einschließlich der Splitterwirkung verdämmender Partien, einfach vorstellbar sind. Erstaunlich ist jedoch, dass der menschliche, im Übrigen auch beim tierischen Organismus erst bei extrem hohen, kurzfristig auftretenden Druckdifferenzbelastungen (praktisch nur im Detonationsbereich) Körperschäden direkt durch den Druckstoß auftreten. Hierbei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass sich durch Standunsicherheit oder durch den Druck hervorgerufenes Wegschleudern eines Körpers ernste bis tödliche Verletzungen aus der nachfolgenden Aufprallsituation bzw. durch Splitterwirkung erhebliche Verletzungsrisiken ergeben. Auch beinhaltet diese Feststellung nicht den Ausschluss von Folgeverletzungen durch das gesamte oder eines Teils des Gebäudes, welches seine Standsicherheit aufgrund des Explosionsdruckes verloren hat (s. Kap. 2.1.2 Abb. 6).

Im Prinzip gilt für die persönliche Beurteilung der Explosionswirkung die gleiche triviale Maxime wie für die Blitzeinwirkung auf die eigene Person:

Wer den Donner (Knall) noch hört, hat zunächst das Schlimmste überstanden.

Aus der gerichtschemischen Erfahrung lässt sich summarisch zu diesem Problemkreis Folgendes zusammenfassen:

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  • Explosionen mit hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit (Druckdifferenz) gefährden im primären Angriff mechanisch die Bausubstanz, zum Teil auch das Inventar stark, die im Einwirkungsbereich betroffenen Personen jedoch nur gering, wenn Folgeeinwirkungen ausgeschlossen werden können,

  • Explosionen mit niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit gefährden Bausubstanz und Inventar, aber auch die betroffenen Personen umso stärker, je geringer die Ausbreitungsgeschwindigkeit der mit der Druckwelle einhergehenden Hitzewelle ist, da bei niedrigen Geschwindigkeiten aufgrund der verbesserten Wärmeübergangsbedingungen (u.a. die Durchbrechung des Leyden-Frost'schen Phänomens1) das Risiko des Folgebrandes an Bausubstanz, insbesondere jedoch am Inventar, und die Dauer der Hitzeeinwirkung mit nachfolgender Zündung auf Heim- bzw. Bekleidungstextilien, aber auch die thermische Überbeanspruchung der unbekleideten Haut des oder der Opfer sich erheblich erhöht (s. Abb. 1).

Abb. 1: Explosionsauswirkungen auf den menschlichen Körper

Im Gegensatz zur Gruppe der Explosionen sind die unterschiedlichen Arten der Brände gekennzeichnet durch die erheblich verlängerte Einwirkzeit des unkontrolliert ablaufenden, hier im Wesentlichen Hitze und Rauch produzierenden Ereignisses. Dementsprechend ergeben sich für den Sachwert, aber auch für die betroffenen Personen Vor- und Nachteile bezüglich der Einwirkungsintensität und damit Schädigungsintensität. Von Vorteil gegenüber dem abrupt einsetzenden Schaden einer Explosion ist, dass sich die Brandeinwirkung in den meisten Fällen relativ langsam entwickelt und so Möglichkeiten der Eigenrettung bzw. der Hilfeleistung von außen bestehen. Auch können Schutzmaßnahmen vorgeplant und organisiert werden (Vorbeugender Brandschutz). Von Nachteil ist die relativ lange andauernde Einwirkzeit von Bränden auf Sachwerte und Personen, da – abgesehen von der notwendigen Dauer des thermischen Angriffs bis zur intensiven Schädigung – das Ausmaß der Schädigungen mit der Einwirkzeit zunimmt. Das gilt sowohl für Sachwerte, die durch Kondensatablagerungen korrodieren, als auch für Personen, bei denen die Inhalationstoxizität lebensbedrohender Rauchgaskomponenten mit der Zeit größer wird.

insgesamt lassen sich die psychophysischen Risikokomplexe, die im Brandfalle zum Personenschaden führen können, folgendermaßen differenzieren:

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  • Sauerstoffmangel durch den Verbrauch des O2 der Raumluft infolge der Verbrennungsprozesse, aber auch durch Verdrängen der Luft durch den Rauch,

  • Entstehen, Eindringen und Einatmen giftiger Pyrolysebestandteile; hier insbesondere der rasch und akut wirksamen Gase Kohlenmonoxid (CO) und Blausäure (HCN),

  • thermische Wirkung der Verbrennungswärme durch Strahlung oder Leitung auf den menschlichen Organismus,

  • psychophysische Stresswirkung auf den bedrohten Organismus.

Im Einzelnen kann zu den vorhergehend genannten Punkten Folgendes erläuternd ausgeführt werden:

Sauerstoffmangel (< 15 Vol.-% O2), erhöhte Kohlendioxidkonzentration (> 2 Vol.-% CO2) in der Atemluft, Hustenanfälle durch Reizgase (s. Abb. 2), erhöhte Raumlufttemperaturen und Stress steigern bewusst, zumeist jedoch reflektorisch, das Atem-Zeit-Volumen und die Atemfrequenz.

Hierdurch werden die im Luftvolumen des Brandraumes auftretenden Toxine deutlich rascher über die Atmung aufgenommen, zuweilen wird im Sinne von Synergismen ihre Wirkung gesteigert.

Abb. 2: Gasförmige bzw. verdampfbare toxische Bestandteile der Schwel- und Brandgase bezogen auf den Atmungstrakt

Wie durch eine Vielzahl von Versuchen bewiesen werden konnte, wirken im Brandrauch im Wesentlichen die beiden Gase Kohlenmonoxid und Blausäure in hohem Maße akut toxisch. Alle stickstoffhaltigen organischen Materialien bilden bei der oxidativen thermischen Zersetzung erhebliche Mengen an Blausäure.

Es sollte jedoch nicht unerwähnt bleiben, dass neben CO und HCN andere toxische Rauchgaskomponenten, abhängig vom Brennstoff, der Pyrolysetemperatur, dem Sauerstoffangebot etc. auftreten, deren Toxizität bislang aber nur zum Teil untersucht wurde. Untersuchungen zu den

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synergistischen Wirkungen von Brandrauchtoxinen wurden bis heute nicht durchgeführt.

Will man die Wirkung des inhalierten Kohlenmonoxids auf den Menschen beschreiben, so ist zunächst festzustellen, dass es sich hierbei um ein kumulierendes Atemtoxin handelt, welches die Austauschpositionen des Hämoglobins besetzt und blockiert, da die Bindungsintensität etwa 200-fach stärker ist als bei Sauerstoff. Dadurch wird naturgemäß die Sauerstoffzufuhr in den Körper mehr oder weniger stark behindert. Toxische Anfangswirkungen sind ab etwa 20 % belegten Hämoglobins (Hb) zu erwarten. Ab etwa 40 % CO-Hb, bezogen auf Gesamt-Hb, ist mit Bewusstlosigkeit und völliger Handlungsunfähigkeit zu rechnen. Im Konzentrationsbereich zwischen 50 % CO-Hb und ca. 70 % CO-Hb tritt der Tod erfahrungsgemäß bei alleiniger CO-Vergiftung ein.

Abb. 3: Nomographische Darstellung der erzielten Blut-Kohlenmonoxid-Hämoglobin-Konzentration als Funktion der Raumluftkonzentration und der Inhalationszeit mit den verschiedenen Risikobereichen für den Warmblüter-Organismus

Die genannten Konzentrationsbereiche an CO-Hämoglobin werden naturgemäß in Abhängigkeit von der CO-Konzentration in der Raum- und damit der Atemluft unterschiedlich schnell erreicht. In der Abbildung 3

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ist dieses Intoxikationsrisiko nomographisch nach der Auswertung von Tierversuchen, die mit Kraftfahrzeugauspuffgasen ermittelt wurden, zusammengestellt. Es zeigt sich, dass bei ca. 0,5 Vol.-% CO in der Atemluft etwa fünf Minuten, bei 1 Vol.-% CO jedoch nur etwa eine Minute bis zum Erreichen einer tödlichen Blutkonzentration vergehen

Ähnlich wirksam ist auch die Blausäure (HCN), die sowohl durch Einatmen gasförmig als auch oral in Form von wässrigen Lösungen der freien Säure oder ihrer Salze aufgenommen werden kann. Als letale Grenzkonzentration werden (wie auch wiederum Tierversuche bzw. Analysen von Vergifteten zeigen) etwa 1,0 mg/kg bis 1,5 mg/kg Körpergewicht angesehen. Bei Inhalationen von HCN sollen 180 ppm bis 270 ppm in der Atemluft rasch, ein Gehalt von 90 ppm bei längerem Einwirken tödlich sein. In der Abbildung 4 sind die Blausäurekonzentrationen und CO-Hb Konzentrationen von sieben Opfern eines Gaststättenbrandes mit starker Verrauchung dargestellt.

Abb. 4: Blausäure- und Kohlenmonoxid-Hämoglobin-Konzentration (Blut-HCN und CO-Hb) bei Brandopfern nach starkem Verbrauch

Aus diesen Daten ist auch zu entnehmen, dass nur in seltenen Fällen die beiden genannten, rasch wirksamen Toxine CO und HCN jeweils allein den Intoxikationstod eines Brandopfers bewirken. Zum einen entstehen sie in unterschiedlichen Konzentrationskombinationen materialabhängig nebeneinander, zum anderen ist auch das Zusammenwirken mit anderen Toxinen oder anderen Belastungsparametern im Sinne einer Wirkungsaddition bzw. auch einer möglichen Wirkungspotenzierung (Synergismus) nicht außer Acht zu lassen.

Zuletzt soll noch kurz auf die Wärmebelastbarkeit des menschlichen Organismus eingegangen werden. Zu unterscheiden ist hierbei:

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  • die direkte Wärmebelastung der menschlichen Körperoberfläche durch die Wärmestrahlung eines Flammenbrandes und der Wärmeübergang von auf der Körperoberfläche abbrennenden textilen Materials von

  • indirekter Wärmebelastung durch Aufenthalt im durch den Brand aufgeheizten Raum.

Direkte thermische Belastung

Wie experimentelle Untersuchungen ergeben haben, treten beim Menschen erste Schmerzen auf, sobald eine Hauttemperatur von ca. 44 ˚C überschritten wird. Ein Wärmestrom von 1,7 W/cm2, welcher ungefähr der Leistungsabgabe einer Taschenlampenbatterie, gleichmäßig verteilt auf 1 cm2 Oberfläche der Haut, entspricht, führt bereits nach 2 Sekunden zur Rötung der Haut, nach 5 bis 6 Sekunden kommt es zur Blasenbildung. Nach WHO Klassifikation ICD-102 besteht der in Abbildung 5 dargestellte Zusammenhang zwischen dem von der Haut absorbierten Wärmefluss und der Zeit bis zum Überschreiten der Toleranzgrenze.

Abb. 5: Wirkung der von der Haut absorbierten Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Einwirkungsdauer

Eigene Messungen der Strahlungsleistung haben ergeben, dass diese in unmittelbarer Nähe der Flammensäule bis zu 15 W/cm2 erreichen kann, mit wachsendem Abstand jedoch rasch zurückgeht. Die erreichten Werte an den verschiedenen Messpunkten sind in Abbildung 6 dargestellt.

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Abb. 6: Strahlungsleistung von Flammen in Abhängigkeit vom Abstand

Indirekte thermische Belastung

Durch die Konvektion der beim Brand gebildeten heißen Gase und Dämpfe kann es in umschlossenen Räumen zu Überhitzungseffekten der sich darin aufhaltenden Personen kommen (Hyperthermie). Aufgrund der Überhitzung sinkt die Toleranz gegenüber dem Atmungsgift Kohlenmonoxid bei gleichzeitig verringerter Sauerstoffkonzentration in der Atemluft. Wegen der relativ niedrigen Koagulationstemperatur des Blutes (ca. 60 ˚C bis 70 ˚C) werden Raumtemperaturen in diesem Bereich nur kurzfristig ertragen. Raumtemperaturen von 100 ˚C und darüber führen innerhalb von Minuten zum Tode. Diese Werte gelten nur dann, wenn der Temperaturregulationsmechanismus des menschlichen Körpers nicht mehr funktioniert, was insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit der Fall ist.

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Johann Gottlob Leidenfrost (1715–1794) war ein deutscher Mediziner und evangelischer Theologe und beschrieb erstmals den nach ihm benannten Leidenfrost-Effekt (ein auf heißem Untergrund "tanzender" Tropfen).


Internationale statistische Klassifikation der Krankheiten und verwandter Gesundheitsprobleme 10. Revision, Version 2013