CFAST 7.0 und die Zukunft von Zonenmodellen

Anlässlich der Freigabe der aktuellen Version 7.0 von CFAST veröffentlicht Kevin McGrattan im Entwickler-Blog zu Fire Dynamics Simulator und Smokeview einen Beitrag zur Zukunft von CFAST im speziellen und Zonenmodellen im Allgemeinen.

CFAST (das Consolidated Model of Fire and Smoke Transport) war seitens des NIST als Zusammenführung verschiedener Zonenmodelle oder Modelle zur Betrachtung einzelner Brandphänomene gedacht, die in den 1980er Jahren am NIST entwickelt wurden. Die letzte Version des Vorgängers FAST erschien am 1. Mai 1990. Noch am selben Tag wurde die Entwicklung von FAST eingestellt und CFAST als neues Projekt (das aber im Funktionsumfang noch identisch war) in der Version 1.0 veröffentlicht.
In mehr oder weniger regelmäßigen Veröffentlichungen wurden darauf folgend bis zum 31. Oktober 2011 fünf weitere Haupt-Versionen veröffentlicht, in denen der Funktionsumfang kontinuierlich anwuchs. Danach wurde es ruhiger um die Entwicklung von CFAST und die meisten Anwender gingen davon aus, dass die Entwicklung von CFAST zugunsten der Entwicklung von FDS eingestellt worden sei.
Tatsächlich zeigt die Übersicht über die am Markt verbreiteten Zonenmodelle der Firma Combustion Science & Engineering Inc. eine Vielzahl verschiedener Zonenmodelle, von denen aktuell aber nur noch vier gepflegt bzw. weiterentwickelt werden (MRFC wird meines Wissens entgegen dem Status in der Übersicht weiterhin aktiv gepflegt und weiterentwickelt).
4 zu 49, das ist kein guter Schnitt und führt automatisch zu der Frage: woran liegt es?

Kevin McGrattan findet in seinem Blog-Beitrag grundsätzlich zwei mögliche Antworten:

1. Mit Erreichen einer stabilen Basis und vor allem einer intensiven Validierung und Verifizierung von FDS (also ca. mit FDS 5), besteht schlicht kein Bedarf mehr an Zonenmodellen.
2. Die Entwicklung eines eigenen Zonenmodells ist relativ einfach, gemessen an der Aufgabe einer langfristigen Wartung und Weiterentwicklung, die in letzter Konsequenz bisher fast jeden Entwickler überforderte.

Wie steht es also mit den beiden oben genannten Argumenten? Deutschland mag hier sicherlich eine Ausnahme sein, aber solange die DIN 18232-2 noch in irgendeiner Richtlinie oder Verordnung eine Rolle spielt, werden automatisch auch Zonenmodelle ihre Funktion haben. Schließlich ist das Kriterium „Raucharme Schicht von bspw. 2,5 m Höhe“ auf den Zonenmodell-Ansatz zugeschnitten und ein gleichwertiger Nachweis mit einem CFD-Programm macht eine höhere Abstraktion erforderlich. Aber selbst wenn eine Verankerung des Zonenmodell-Ansatzes im Baurecht nicht mehr gegeben sein sollte: sind Zonenmodelle automatisch schlechter, nur weil FDS detaillierte Ergebnisse liefert? Nach Auffassung des Autors: Nein, so lange man sich der Anwendungsgrenzen des Modell-Ansatzes bewusst ist und die Laufzeit einer typischen FDS-Simulation nicht bedeutungslos wird (was zeitnah definitiv nicht passieren wird). Andernfalls dürfte die Newtonsche Mechanik nicht mehr angewandt werden und die Flugbahn jedes fallenden Apfels müsste mit der detaillierteren Relativitäts-Theorie oder direkt mit quantenmechanischen Gesetzen berechnet werden.

Tatsächlich entstammen aber viele Zonenmodelle einem universitären/wissenschaftlichen Hintergrund, weisen kaum eine stabile Finanzierung auf, hängen in der Regel vom Einsatz einzelner Personen ab und weisen selten einen systematischen Qualitätssicherungsprozess auf. Keine guten Voraussetzungen für eine positive Zukunft.

Vor diesem Hintergrund scheint CFAST 7 ein großer Schritt in die richtige Richtung.


CFAST 7.0 NIST Users Guide

Das Programm wurde auf die heute noch sinnvollen Funktionen reduziert und an den Fortran-2008-Standard angepasst. Der systematische Ansatz zur Qualitätssicherung von FDS wurde auf CFAST übertragen und die Handbücher auf LaTeX umgestellt, um eine automatisierte Erstellung der Dokumente nutzen zu können.
Ganz in diesem Sinne hat Kevin McGrattan die diesjährige SFPE Conference & Expo genutzt, um in seinem Vortrag „Deconstructing the Zone Fire Model CFAST“ auf die aktuellen Entwicklungen um CFAST hinzuweisen.

Wird CFAST eine Zukunft haben? Die Chancen dazu stehen mit Version 7 besser als jemals zuvor. Wie diese genau aussehen wird, scheint momentan aber auch am NIST noch nicht festzustehen. In seinem Blog-Beitrag bittet Kevin McGrattan um Nutzer-Feedback, um auf der Basis der Anwendungsgebiete und Nutzeranzahl entscheiden zu können, wie es mit CFAST weitergehen wird.

3 Kommentare

  1. Hallo Boris,

    Das Argument mache ich etwas falsch mit einem Zonen-Modell muss eben genauer betrachtet werden!

    In Zonen-Modellen sind viele Vereinfachungen vorhanden und dementsprechend ist auch die Lösung eine ziemliche Vereinfachung. CFD-Modelle können stattdessen Strömungen exakter vorhersagen und auch komplexe HVAC-Systeme mit verschiedenen Absaugpunkten. Sogar komplexe Aussenwind-Konditionen können betrachtet werden. Wir haben heutzutage die Rechenleistung und die Software für CFD-Modelle, die Geschwindigkeit ist eben gerade nicht mehr ein Punkt! CFD-Modelle sind sehr hilfreiche und aussagekräftige Tools. Ich muss sie nicht nützen, aber die Möglichkeiten sind enorm und klar sind CFD-Modell Stand-der-Technik und Zonenmodelle nicht mehr.

    Viele Grüsse
    Chris

  2. Hallo Chris,

    vielen Dank für Deinen Kommentar.

    Vergleiche zwischen PKW und Simulationsprogrammen sind seit einiger Zeit aus der Mode und hinken häufig. 🙂

    Natürlich fahren heute die meisten Besitzer nur noch aus nostalgischen Gründen einen original Käfer. Ich wage aber zu behaupten, dass das anders aussehen würde, wenn man in einem Käfer binnen 2 Minuten von A nach B kommen würde und in einem modernen PKW dafür 3 Wochen bräuchte. Jede Wette.
    *Geschwindigkeit ist nicht der entscheidende Punkt*, aber für jedes Beispiel in dem der Zonenmodell-Ansatz versagt, kann eines gefunden werden, in dem er funktioniert und am Ende für die Fragestellung eines Ingenieurs ausreichend genaue Ergebnisse herauskommen.
    Macht man mit der Anwendung eines Feldmodelles etwas falsch? Sicher nicht, aber eben auch nicht pauschal mit der Anwendung eines Zonenmodells.

    Das Argument mit der Sicherheit sticht auch nicht so richtig. Würde es das, könnte man damit auch argumentieren, dass die zulässige Brandabschnittsfläche und Rettungsweglänge halbiert werden muss und jedes Wonhaus eine Sprinklerung braucht, schließlich bewegen wir uns ja im Sicherheitsbereich!

    Viele Grüße

    Boris

  3. Hallo Boris,
    Meiner Meinung nach sollte man Abschied nehmen von Zonen-Modellen. Dies hat einfach gesagt den Grund, dass es nicht mehr Stand-der-Technik ist. Man kann auch heute noch mit einem VW Käfer rumfahren oder auf einem Nokia telefonieren, nur tut das niemand mehr.
    Zonen-Modelle sind starke Vereinfachungen und besitzen besonders im Bereich HVAC (Absaugstellen, Nachströmflächen) starke Nachteile und können die Gegebenheiten gar nicht richtig abbilden. Da wir uns im Sicherheits-Bereich wegen, sollte der Stand-der-Technik gewährleistet werden.
    Gruss
    Chris

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