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Newsportal - Ruhr-Universität Bochum

U-Bahnhof
Der sicherste Fluchtweg aus U-Bahnhöfen ist nach den Erkenntnissen der Forscher nicht unbedingt der Ausgang.
© Roberto Schirdewahn
Simulation

Den besten Fluchtweg aus U-Bahn-Stationen finden

Für dieses Projekt haben Forscher gleich dreimal einen Brand im Berliner U-Bahn-System gelegt.

Die U-Bahn ist aus deutschen Großstädten nicht mehr wegzudenken. Unmöglich wäre es, das gesamte Verkehrsaufkommen an der Oberfläche abzuwickeln. Allein die Berliner Verkehrsbetriebe zählten 2017 mehr als eine halbe Milliarde Fahrgäste in ihren U-Bahnen. Umso wichtiger ist es, die Menschen gegen Gefahren zu schützen – zum Beispiel gegen Brände oder Giftgasanschläge.

Wie das gelingen kann, damit hat sich das Team im Projekt Orpheus beschäftigt, kurz für Optimierung der Rauchableitung und Personenführung in U-Bahnhöfen: Experimente und Simulationen. „Unser Ziel ist es, Menschen im Katastrophenfall so schnell und sicher wie möglich aus den U-Bahnhöfen nach draußen leiten zu können“, erklärt Markus Brüne. Er arbeitet an der RUB in der Arbeitsgruppe Klimatologie extremer Standorte, die Prof. Dr. Andreas Pflitsch leitet.

Schneller als in Echtzeit

Im Orpheus-Projekt hat das Team die Grundlagen für ein System gelegt, das eines Tages schneller als in Echtzeit simulieren können soll, wie sich Rauch oder Gas in einer U-Bahn-Station ausbreitet, sodass der optimale Fluchtweg für einen spezifischen Fall ermittelt werden kann. Kompliziert ist das, weil jede Station ihre eigenen dynamischen Luftströmungen besitzt, die sich auch abhängig von äußeren Faktoren ändern können.

Markus Brüne entwickelt neue Methoden, um kostengünstig die Luftströmung in U-Bahn-Tunneln messen zu können. Die Ergebnisse sollen eines Tages in Schutzmaßnahmen im Katastrophenfall einfließen.
© Roberto Schirdewahn

„Die deutschen U-Bahn-Systeme sind teils 100 Jahre alt, daher haben die meisten keine künstliche Belüftung“, erklärt Brüne. Die Luftzufuhr erfolgt durch die fahrenden Bahnen, die einen Luftschwall durch den Tunnel drücken. Darüber hinaus bildet sich im unterirdischen System der verzweigten Tunnel ein eigenes Klimasystem heraus, insbesondere eine natürliche Hintergrundströmung. Diese wird dominant, wenn der Zugverkehr im Katastrophenfall unterbrochen wird. Damit eine Computersimulation korrekt abbilden kann, wie sich Rauch in einer Station ausbreiten würde, muss die Luftströmung als Randbedingung berücksichtigt werden.

Feuer und Theaternebel in der U-Bahn-Station

Im Orpheus-Projekt statteten die Bochumer Forscher die Station „Osloer Straße“ in Berlin mit sogenannten Ultraschall-Anenometern aus. Diese Messgeräte erfassten bis zu acht Jahre lang ununterbrochen die Luftströmungen in dem Bahnhof; die Daten gingen in ein am Forschungszentrum Jülich entwickeltes Computermodell ein. Um zu überprüfen, wie gut die Simulation die Realität abbildet, fanden drei Großversuche in der Berliner Station statt. Das Projektteam löste dabei einen Propangasbrand aus und maß, wie sich der Rauch ausbreitete.

Zum einen brachten die Forscher dafür ein Tracergas aus, dessen Verteilung sie quantitativ erfassen konnten. Zum anderen versprühten sie Theaternebel, um einen optischen Eindruck zu bekommen, wie sich der Rauch ausbreiten würde. „Die Versuche waren sehr aufwendig“, sagt Markus Brüne, der vor Ort dabei war. „Und natürlich darf das Bauwerk nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.“

Versuche in der Nacht

Eine große Herausforderung war, dass das Experiment nur während der Betriebsruhe laufen durfte, aber jede Menge Messequipment aufgebaut werden musste. „Um 22 Uhr haben wir mit 30 bis 40 Leuten alles aufgebaut. Um 1.30 Uhr konnten wir in der Regel mit dem Versuch beginnen, weil dann keine Bahnen mehr fuhren“, erzählt der Forscher. „Um 3.20 Uhr musste dann das gesamte Equipment wieder raus sein.“

  • Der Versuch fand während der Betriebspause in der Berliner U-Bahn-Station Osloer Straße statt.
    © Andreas Pflitsch
  • Anders als in früheren Versuchen mit kaltem Gas setzte das Orpheus-Team Brenner ein, um die Thermik durch ein Feuer simulieren zu können.
    © Ralf Eisenbach
  • Mit Theaternebel machten die Forscherinnen und Forscher sichtbar, wie sich der Rauch bei einem Brand ausbreiten würde.
    © Lukas Arnold
  • Über ein Tracergas konnte das Team auch quantitativ erfassen, an welchen Stellen wie viel Rauch ankam.
    © Ralf Eisenbach
  • Die Feuerwehr nutzte die Versuche für eine Übung.
    © Lukas Arnold
  • Der Rauch breitet sich schnell in höher liegende Etagen aus und verwirbelt dort. Daher kann die Flucht über Treppenaufgänge gefährlich sein.
    © Andreas Pflitsch
  • Im Gegensatz zu den Treppenaufgängen bleiben die U-Bahn-Tunnel in der Regel weitestgehend rauchfrei.
    © Frank Faske
  • Für die Versuche mussten die Wissenschaftler viel Messequipment aufbauen.
    © Andreas Pflitsch
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Vorherige Versuche hatten stets nur mit Kaltgas stattgefunden. Das gibt zwar Einblicke, wie sich Giftgas ausbreiten würde. Das Projektteam interessierte sich aber auch für brandbedingten Rauch. „Die Hitze eines Feuers treibt die Thermik an, das muss in der Simulation berücksichtigt werden“, erläutert Brüne. So beobachteten die Forscher zum Beispiel, dass sich im unteren Bereich der Station, wo sie den Brand ausgelöst hatten, deutliche Luftschichten bildeten. Der warme Rauch klebte an der Decke, die kalte Luft hing am Boden.

Es gibt Beispiele von Bränden in U-Bahn-Stationen, bei denen die meisten Menschen in den oberen Etagen ums Leben kamen.

– Markus Brüne

In den oberen Etagen sah es hingegen anders aus. Schon nach wenigen Minuten gab es dort keine rauchfreie Schicht mehr, weil die Luft verwirbelte. Während man unten in der Station also noch gut atmen könnte, wäre es schwer bis unmöglich, über die Aufgänge aus dem Bahnhof herauszukommen, weil der Rauch dort den Weg versperren würde. „Es gibt Beispiele von Bränden in U-Bahn-Stationen, bei denen die meisten Menschen in den oberen Etagen ums Leben kamen, während unten relativ wenig passiert ist“, weiß Brüne.

Basierend auf den Ergebnissen schlägt das Projektteam daher vor, die meist rauchfrei bleibenden U-Bahn-Tunnel als Fluchtwege in Betracht zu ziehen. „Das wollen die Betreiber bislang nur ungern, weil sie Sorge haben, dass es Zusammenstöße zwischen den Menschen und eventuell noch fahrenden Zügen geben könnte“, erklärt Markus Brüne. „Aber unsere Ergebnisse zeigen, dass es sinnvoll wäre.“ Eine Simulation, die den Einsatzkräften im Ernstfall sagen würde, wohin sich der Rauch wahrscheinlich ausbreiten wird, wäre hilfreich, um den bestmöglichen Fluchtweg zu ermitteln.

Luftströmung mit Kommunikationskabeln messen

Damit das im Projekt entstandene Modell für verschiedene U-Bahn-Stationen zuverlässige Prognosen liefert, müsste jedoch für jeden Bahnhof die natürliche Luftströmung bekannt sein. Unmöglich wäre es, sie wie im Versuch mit Hunderten von Ultraschall-Anenometern zu messen – zu aufwendig und zu kostspielig. Markus Brüne verfolgt während seiner Promotion an der Ruhr-Universität daher einen anderen Ansatz. Er überprüft, ob sich die Luftströmung aus Temperaturmessungen ableiten lässt. Die Temperatur lässt sich wie in einem Brandmelder über Lichtwellenleiter erfassen – und die sind bereits zahlreich in U-Bahn-Tunneln verbaut.

„Die Kommunikationskabel in U-Bahn-Systemen bestehen aus Lichtwellenleitern“, beschreibt Markus Brüne die Idee. „Wir untersuchen, ob man die Temperatur mit diesen bereits vorhandenen Lichtwellenleitern messen könnte.“ Zur Kontrolle erfassen die Forscher die Temperatur im gleichen U-Bahn-Tunnel außerdem mit einem speziell für den Versuch angebrachten Lichtwellenleiter sowie mit herkömmlichen Temperatursensoren. Die Ergebnisse sind laut Markus Brüne vielversprechend. „Das Kommunikationskabel ist zwar träge“, berichtet er. „Man hat im Vergleich zu den anderen Messmethoden damit einen Zeitversatz von fünf bis zehn Minuten.“ Aber es übermittelt langsame Temperaturveränderungen korrekt und sollte für eine normale Strömungsmessung reichen, so seine Einschätzung.

Ob sich die Luftströmung zuverlässig aus den Temperaturdaten rekonstruieren lässt, muss Brüne noch überprüfen. Falls ja, wäre wieder ein wichtiger Schritt in Richtung einer Echtzeit-Brandsimulation gelungen.

Kooperationspartner

Das Orpheus-Projekt lief von Februar 2015 bis Februar 2018, koordiniert vom Forschungszentrum Jülich. Neben der Arbeitsgruppe Klimatologie extremer Standorte der Ruhr-Universität Bochum waren die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung sowie verschiedene Partner aus der Industrie beteiligt: die Firma Rudolf-Otto-Meyer-Technik, die Entrauchungsanlagen entwickelt; das Unternehmen Ibit, das mit Einsatz- und Krisenmanagement im Umfeld von Veranstaltungen befasst ist; und das Institut für Industrieaerodynamik Aachen, das für die Realbrandversuche zuständig war. Als assoziierte Partner nahmen ferner die Berliner Verkehrsbetriebe, die Deutsche Bahn, die Feuerwehren aus Berlin und München sowie die Unternehmen Karstadt Hekatron, Nvidia und das Team HF teil.

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Veröffentlicht
Donnerstag
27. September 2018
08.50 Uhr
Von
Julia Weiler (jwe)
Dieser Artikel ist am 5. November 2018 in Rubin 2/2018 erschienen. Die gesamte Ausgabe können Sie hier als PDF kostenlos downloaden.
Weitere Rubin-Artikel sind hier zu finden.
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