Abstract: During subcooled boiling, bubble nucleation, growth, departure, condensation, and collapse generate transient wall-pressure fluctuations and high-frequency structural vibrations, which may affect the operational stability of nuclear reactor systems and other boiling-based thermal equipment. However, the relationship between single-bubble evolution and the resulting wall vibration response remains insufficiently understood owing to the limited availability of synchronized visualization and vibration measurements. In this study, an experimental platform combining high-speed imaging and vibration measurement was developed to investigate the evolution of single bubbles on a vertical thin wall under different heat fluxes, degrees of subcooling, and surface wettability conditions. The results show that the initial inertia-controlled bubble growth stage generally produced the dominant vibration response. Increasing the heat flux substantially enhanced the excitation intensity. Over the investigated range, the primary peak vibration velocity increased by several times, while the integrated kinetic energy during the initial growth stage exhibited a much stronger, nonlinear increase. The condensation-related vibration energy ratio, α, increased from approximately 40.0–56.9% with increasing degree of subcooling, indicating that the relative contribution of departure-, condensation-, and collapse-related excitation became more significant under high-subcooling conditions. Surface wettability also strongly affected the characteristics of the vibration response: at a liquid subcooling of 20 K, the hydrophobic surface generated sustained structural oscillations lasting approximately 30 ms, with an amplitude about twice that observed on the hydrophilic surface, possibly due to contact-line pinning and delayed rewetting. These findings clarify the dominant excitation mechanisms associated with single-bubble evolution and provide experimental guidance for vibration control in boiling heat-transfer systems.
Abstract: Diese Dissertation untersucht Brandschutz aus systemischer Perspektive. Auf Basis von 1.655 Einsatzstellenbewertungen deutscher Feuerwehren werden komplexe Gebäude erstmals als probabilistische Rauch- und Brandnetzwerke aus Räumen, Türen, Schächten und Fassaden modelliert und visualisiert. Netzwerkwissenschaftliche Kennwerte machen systemische, primär topologisch bedingte Schwachstellen sichtbar. Die Arbeit bietet neue Werkzeuge für Planung, Regulierung und Feuerwehreinsatz.
Abstract: Die bauordnungsrechtlichen Anforderungen an den Brandschutz sind überwiegend linguistisch formuliert und damit mit einer gewissen Unschärfe behaftet. Darunter ist zu verstehen, dass die Anforderungen in der Regel keine strikt binäre Bewertung erlauben, sondern zwischen eindeutigem Erfüllen und Nicht-Erfüllen Zwischenstufen bestehen. Insbesondere die in § 14 der Musterbauordnung geforderte ´Möglichkeit´ der Menschenrettung lässt sich ohne eindeutig definierte Grenzwerte nicht unmittelbar quantitativ bewerten. Der vorliegende Beitrag stellt einen fuzzybasierten Ansatz vor, der es ermöglicht, diese linguistische Anforderung zunächst in eine skalare Kenngröße zu überführen und sie anschließend in einem erweiterten, dimensionslosen Modell zu bewerten. Hierzu wird die Fuzzy-Regelungstechnik genutzt, um anhand der argumentativ hergeleiteten Einflussvariablen Anzahl der Brandtoten und gerettete Personen einen Entscheidungsfaktor für die Möglichkeit der Menschenrettung zu bestimmen. Die Methodik basiert auf bewusst vereinfachten, modellhaften Annahmen und verwendet abschnittsweise lineare Zugehörigkeitsfunktionen sowie ein regelbasiertes Inferenzsystem. Die resultierenden diskreten Bewertungsergebnisse werden anschließend zu einer kontinuierlichen, dimensionslosen Fläche erweitert, um auch Brandereignisse unter erheblichem Informationsdefizit bewertbar zu machen.Die Ergebnisse zeigen plausible Bewertungsverläufe und verdeutlichen, dass der gesellschaftlich höhere Einfluss von Todesfällen gegenüber geretteten Personen innerhalb des Modells gezielt abgebildet und parametriert werden kann. Der Beitrag liefert einen methodischen Ansatz zur Quantifizierung bauordnungsrechtlicher Schutzziele, der auch bei unsicherer Datenlage anwendbar ist.
Abstract: Building-code requirements for fire safety are predominantly formulated in linguistic terms and are therefore inherently associated with a certain degree of ambiguity. In this context, the requirements generally do not permit a strictly binary assessment; instead, intermediate states exist between clear compliance and non-compliance. In particular, the requirement in Section 14 of the German Model Building Code (Musterbauordnung, MBO) concerning the “possibility” of rescuing occupants cannot be directly quantified in the absence of clearly defined threshold values.This contribution presents a fuzzy-logic-based approach that first transforms this linguistic requirement into a scalar indicator and subsequently evaluates it within an extended dimensionless model. Fuzzy control methodology is applied to derive a decision factor representing the possibility of occupant rescue based on two conceptually derived influencing variables: the number of fire fatalities and the number of persons rescued. The methodology is deliberately based on simplified, conceptual assumptions and employs piecewise-linear membership functions together with a rule-based inference system. The resulting discrete assessment values are subsequently extended to form a continuous, dimensionless response surface, enabling the evaluation of fire incidents even under conditions of substantial information uncertainty.The results show plausible assessment patterns and demonstrate that the greater societal significance attributed to fatalities compared with rescued persons can be explicitly represented and parameterized within the model. The proposed approach provides a methodological framework for quantifying fire-safety objectives defined by building regulations and remains applicable even when the available data are uncertain or incomplete.
Abstract: Reducing the energy consumption of buildings is a major challenge in building physics. Traditional methods like simulations often struggle to capture complex interdependencies. This study explores the use of Fault-Tree Analysis (FTA), originally developed in aerospace, to identify and evaluate energy-saving measures in buildings. FTA enables a hierarchical breakdown of influencing factors, revealing interconnections and vulnerabilities. This structured approach supports the identification of effective strategies and equivalent alternatives. A key focus is integrating FTA into the planning process, considering both effectiveness and costs. Given rising construction expenses due to interest rates, labor shortages, and material scarcity, this is especially relevant. Practical examples illustrate common weaknesses in building systems and their effects on energy efficiency. The results show that FTA complements conventional methods by providing a solid foundation for decision-making and improving communication among planners and stakeholders. FTA offers new perspectives for energy-efficient planning, especially in complex projects, promoting sustainable and economically viable building solutions.
Abstract: Hinsichtlich des Brandschutzes zeigt der durch die Bundesregierung geförderte Holzbau Herausforderungen gegenüber Massivbauweisen. Diese spiegeln sich in Erfahrungen von Feuerwehren wider, aber nun auch in statistischen Untersuchungen der Brandschadenstatistik der Vereinigung zur Förderung des deutschen Brandschutzes sowie der Arbeitsgemeinschaft der Leiterinnen und Leiter der Berufsfeuerwehren (AGBF) und des Deutschen Feuerwehrverbands (DFV). Im Zeitraum von 2013 bis 2017 wurden in der vfdb-Brandschadenstatistik Daten zu 5016 Alarmierungen bei Gebäudebränden in Deutschland systematisch mit einem einheitlichen Erfassungsbogen erfasst und seit 2016 „bemerkenswerte Brandeinsätze“ durch einen Evaluierungsbogen zu Maßnahmen des vorbeugenden Brand- und Gefahrenschutzes von AGBF/DFV. Grundlage des vorliegenden Beitrags sind die Auswertung und der Vergleich beider statistischer Datensätze hinsichtlich der Brände in Gebäuden in Holzbauweise. Es zeigt sich, dass der Holzbau mit brandschutztechnischen Herausforderungen verbunden ist.
Abstract: As part of the research project “BEGIN-HVS”, the burning behaviour and fire spread between BEV-batteries in the storage situation were investigated experimentally. Full-size tests with two and eight battery systems were conducted at ZeBra Advanced Firelab at TU Braunschweig, Germany. A total of 20 BEV-batteries (Li-NMC, with capacities ranging from 50 to 110 kWh, state of charge (SOC) 60%) were provided by four German car manufacturers. The temperatures around the batteries were found to be dependent on the location of their venting openings for pressure relief. Mass loss rates during combustion varied among the different batteries. All batteries provided for this project demonstrated significant resistance to ignition.
Abstract: In the research project “BEGIN-HVS”, the burning behavior of BEV battery modules and the fire spread between batteries in the storage situation is investigated experimentally. The first test series was conducted at the module scale. A variation of module types, fire initiation methods, battery state of charge (SOC), energy capacities and fire detection systems were investigated in a calorimeter test stand to record the burning behavior including temperatures, mass loss and heat release (HRR). While initiation methods that preheat the whole module before the start of thermal runaway led to rapid thermal propagation, reduced propagation dynamics were observed for mechanical penetration test initiation methods. The findings are currently being incorporated in the expansion of the medium scale test to large-scale experiments with multiple full-size BEV-batteries. In the end, a firefighting and fire safety concept for BEV batteries storages in industrial buildings will be developed.
Abstract: Im Zuge der Energiewende nimmt die Bedeutung von Hochvoltspeichern (HVS), insbesondere Lithium-Ionen-Batterien (LiB), rapide zu. Ihre Anwendung reicht von mobilen Energiesystemen (Mobiltelefone, Elektrowerkzeuge) über stationäre Speicher in Privathaushalten bis hin zu Großspeichern. Für den deutschen Wirtschaftsstandort besonders relevant ist die e-Mobilität – verbunden mit den zahlreichen KfZ-Herstellern und deren vielfältigen Zulieferern. Der sicherheitsrelevante Umgang mit diesen Systemen stellt Fachplaner, Betreiber und Feuerwehren vor neue Herausforderungen. Vor allem die Lagerung großer Mengen von LiB birgt erhebliche Brand- und Explosionsgefahren, wie mehrere dokumentierte Schadensfälle eindrücklich zeigen. Das Forschungsvorhaben BEGIN-HVS (Beherrschbarkeit von Großschadensfeuern in Industriehallen mit Hochvoltspeichern) lieferte wesentliche Erkenntnisse zu Auslösemechanismen, Brandverläufen und effektiven Schutzmaßnahmen bei Hochvoltspeichern, die als Antriebsbatterien in Fahrzeugen verbaut werden. Aufbauend darauf wurden zwei Fachempfehlungen entwickelt, die sich dem vorbeugenden (VB) sowie dem abwehrenden Brandschutz für das Lagergut Lithium-Ionen-Batterien widmen. Der vorliegende Beitrag fasst diese Erkenntnisse zusammen und gibt Handlungsempfehlungen zur praxisorientierten Umsetzung und stellt die beiden zusammenfassenden Fachempfehlungen der deutschen Feuerwehren (Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren -AGBF- und Deutscher Feuerwehrverband e.V. -DFV-) als Ergebnis der Forschung sowie der Facharbeit der Fachausschüsse Vorbeugender Brand- und Gefahrenschutz sowie Einsatz und Taktik im zum Redaktionsschluss vorliegenden Entwurf vor.
Abstract: Das Verbundforschungsvorhaben BEGIN-HVS - "Beherrschbarkeit von Großschadensfeuern in Industriehallen mit Hochvoltspeichern" untersuchte die Brandgefahren bei der Lagerung von Hochvoltspeichern auf Lithium-Ionen-Basis in Industriegebäuden. Gefördert im Rahmen der BMBF-Maßnahme "Anwender - Innovativ: Forschung für die zivile Sicherheit II" , verband das Projekt experimentelle Brandversuche, numerische Simulationen und einsatztaktische Bewertungen aus Sicht der Gefahrenabwehrbehörden (Förderkennzeichen 13N16603). Analysen realer Brandereignisse sowie großmaßstäbliche Versuche zeigten, dass Lithium-Ionen-Batterien ein eigenständiges Gefährdungspotenzial aufweisen. Eine unverhersehbare Dynamik, aber auch das Nachlassen von Reaktionen können auftreten. Große Mengen potentiell freigesetzter Venting-Gase verursachen eine rasche Rauch- und Sichtbeeinträchtigung, wodurch konventionelle Konzepte des vorbeugenden und abwehrenden Brandschutzes an ihre Grenzen stoßen. Es kann, muss aber kein Brand auftreten. Wenn ein Brand auftritt, muss durch frühestmögliche Maßnahmen eine Eindämmung oder ein Verbringen aus der Lagerung erfolgen. Brandversuche, Erfahrungen und rechnerische Abschätzungen zeigen, dass ab Lagerflächen von etwa 150 m² die thermische Belastung die Beherrschbarkeit durch öffentliche Feuerwehren überschreiten kann. Aus den Forschungsergebnissen wurden praxisorientierte Schutz- und Einsatzkonzepte abgeleitet. Für den vorbeugenden Brandschutz werden die einfache Begrenzung der Lagerflächen sowie die Sicherstellung kurzer Rettungswege empfohlen. Im abwehrenden Brandschutz konnte bestätigt werden, dass Wasser das wirksamste Löschmittel ist; zugleich wurde das taktische Prinzip des "Rückzugs bei thermischer Kettenreaktion" eingeführt, das eine neue sicherheitstaktische Handlungsgrenze definiert. Die Ergebnisse mündeten in zwei bundesweit abgestimmte Fachempfehlungen der deutschen Feuerwehren – für den vorbeugenden und den abwehrenden Brandschutz – und bilden erstmals eine wissenschaftlich fundierte Grundlage zur ausreichend sicheren, wirtschaftlichen und praxisnahen Lagerung von Hochvoltspeichern im Rahmen der Energiewende.
Abstract: The article discusses the difference between the socially acceptable level of fire safety for people and the protection of property according to German and EU legislation. This level of safety is compared with the methodology of the IEC 62305-2 risk management standard for lightning protection. The significance of rising construction costs and the emphasis on planning costs for unnecessary risk calculations. We discuss lightning protection in terms of personal and property safety, with a focus on risk-based approaches from fire safety engineering. The ongoing debate in Germany on lightning protection standards and their impact on building safety and cost-effectiveness will be examined. In addition, legal aspects in Germany and the EU related to lightning protection are explained. An outlook on a new approach to lightning protection risk calculations is given.
Abstract: The advent of Advanced Air Mobility and the Simplified Vehicle Operations Concept is transforming pilot training. Innovative flight simulator environments are required to meet the need for scalable and cost-effective methods. Mixed Reality (MR) offers immersive solutions for training pilots of electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) systems. This paper outlines a systemic approach to defining requirements for MR-based training programs and identifies performance shaping factors for ab initio eVTOL pilots using a User-Centered Design Process. Through collaboration with flight instructors and experts, the most effective training modules for MR environments are identified. An expert study then evaluates a low-fidelity prototype of an MR eVTOL training concept, providing insights that support the development of immersive and effective MR pilot training.
Abstract: Advanced Air Mobility aircraft designs following the Simplified Vehicle Operations (SVO) concept require novel environments for practical and intuitive pilot training. Mixed Reality (MR) technologies can support immersive and interactive learning methods for operating several SVO aircraft, including electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) systems. Despite this potential, regulatory guidelines for simulator-based eVTOL pilot training, especially concerning the Instructor Operator Station (IOS) design, are nascent and require substantive development. This paper investigates the feasibility of an MR eVTOL research simulator as a training tool for instructors. A user study forms the basis for a bottom-up categorization of the instructor's performance shaping factors, which are pivotal for the design of an MR IOS. This paper contributes to the discourse on MR integration in pilot training by identifying key enhancements necessary for an IOS design.
Abstract: Fire safety engineering deals with rare events and a complex system of people's behavior and physics aspects of fire dynamics. The outcome of a fire safety design depends on the assumptions made within the prescriptive building law and in fire safety engineering. However, a fire's effects and influencing factors on people and buildings have hardly been investigated in detail (mainly the number of deaths and amount of damage). This conference paper shows the first evaluation of fire prevention and hazard protection measures by evaluating 1,200 potentially harmful fires throughout Germany. The fire department association developed a questionnaire to evaluate the fire safety level and possibly reduce unnecessary fire safety regulations. Over a hundred twenty fire departments carried out the questionnaire, which are responsible for 25% of the German population. Fire prevention officers of the fire departments went to the scene after the fire was extinguished, and the fire safety concept of the building could be evaluated. We found a high rate of injured persons, smoke propagation, the necessity to be rescued by the fire departments, and higher intervention times of the fire-fighting units after arrival on the scene than expected. Surprisingly, smoke propagation rates correlated to buildings' height and not to buildings' age. Even a risk evaluation of multiple injured people could be obtained.
Abstract: The topic of photovoltaics is currently becoming noticeably more relevant. Large roof areas on industrial plants or public buildings are equipped with Photovoltaic (PV) systems. The essential requirement is that "the protective function of a lightning protection system must not be impaired by the installation of a PV power supply system." These measures aim to prevent damage to the building (mechanical damage up to and including fire and its effects) and damage to the PV power supply system (power grids, control systems, and electrical protection devices). Suppose PV systems are installed on existing buildings equipped with a lightning protection system as part of preventive fire protection. In that case, special attention must be paid to maintaining the necessary separation distance to the lightning protection system. This article addresses the practical implementation of this essential requirement when installing PV systems with lightning protection on existing buildings. This study involves experimental investigations at the high-voltage laboratory and comprehensive literature research. It was found that non-separated lightning protection systems often provide inadequate protection and allow for insulation faults in the PV system. Mainly, arc faults within the PV system serve as potential ignition sources.
Abstract: In Germany, building codes relating to fire safety are mainly prescriptive nature. Therefore, fire safety engineering is based on a combination of expert judgment and reverse engineering of prescriptive rules. This necessitates to connect the given objectives with the detailed prescriptive rules—if not already described within the law or bylaw. This paper proposes a table relating the fire safety objectives of European building regulations and their German counterpart with the prescriptive model building code in Germany. In addition, a risk curve for prenormative work is also given. This represents the prescriptive regulations concerning in terms of fatalities of a level acceptable to society and emphasizes the lower degree of acceptance of multiple fatalities occurring in a single incident. This residual risk limit represents the opinion of German firefighting associations. Data taken from the London area supports the suggested slope rate, as the level of safety in Britain is similar to that in Germany. The table of prescriptive building regulations and their corresponding objectives aids everyday planning decisions in the context of determining adequate compensation without missing out any essential aspects, such as firefighting and firefighter safety. The proposed table forms the basis of the current discussion of a European model performance-based model building code (PBC) within the European Committee for Standardization CEN. Moreover, the risk curve is the first to be discussed in Germany that takes into consideration the societal aspect. It forms an appropriate basis for performing fire safety risk calculations based on fault tree analysis or Bayes nets. The CEN working group for fire safety engineering discusses both aspects of the current development of a European, performance-based fire safety code. It is presented here for the first time.
Abstract: In Germany, building codes relating to fire safety are mainly prescriptive nature. Therefore, fire safety engineering is based on a combination of expert judgment and reverse engineering of prescriptive rules. This necessitates to connect the given objectives with the detailed prescriptive rules—if not already described within the law or bylaw. This paper proposes a table relating the fire safety objectives of European building regulations and their German counterpart with the prescriptive model building code in Germany. In addition, a risk curve for prenormative work is also given. This represents the prescriptive regulations concerning in terms of fatalities of a level acceptable to society and emphasizes the lower degree of acceptance of multiple fatalities occurring in a single incident. This residual risk limit represents the opinion of German firefighting associations. Data taken from the London area supports the suggested slope rate, as the level of safety in Britain is similar to that in Germany. The table of prescriptive building regulations and their corresponding objectives aids everyday planning decisions in the context of determining adequate compensation without missing out any essential aspects, such as firefighting and firefighter safety. The proposed table forms the basis of the current discussion of a European model performance-based model building code (PBC) within the European Committee for Standardization CEN. Moreover, the risk curve is the first to be discussed in Germany that takes into consideration the societal aspect. It forms an appropriate basis for performing fire safety risk calculations based on fault tree analysis or Bayes nets. The CEN working group for fire safety engineering discusses both aspects of the current development of a European, performance-based fire safety code. It is presented here for the first time.
Abstract: Die deutschen Feuerwehren erfassen seit dem Jahr 2016 systematisch signifikante Brände in Gebäuden. Teil dieser Erfassung ist die Überprüfung, ob Schutzziele verletzt werden. Die Branddirektion München wertet diese Daten für den Fachausschuss Vorbeugender Brand- und Gefahrenschutz der deutschen Feuerwehren (FA VB/G) aus und kooperiert dabei mit der Technischen Universität München. Dieser Aufsatz stellt die Methode und die ersten Erkenntnisse aus dieser Statistik dar. Erste Trends zeigen eine erheblich hohe Anzahl von Rauchausbreitungen, die direkte Wirkung des abwehrenden Brandschutzes und organisatorischer Brandschutzmaßnahmen.
Abstract: Die Energiewende und die Anforderungen an eine nachhaltige Mobilität führen zu einer vermehrten Nutzung von sogenannten Hochvoltspeichern als Energiespeichern für e-Kraftfahrzeuge. Hochvoltspeicher sind Lithium-Ionen-Batteriepacks, die in der Regel im Fahrzeugunterboden eingebaut sind. Nun ergeben sich Fragen bei der Produktion und Lagerung der Hochvoltspeicher für die Feuerwehren in Bezug auf die Brandausbreitungsdynamik, mögliche explosionsartige Ausbreitungen und auch Großbrandszenarien. Der Beitrag stellt anhand eines Praxisbeispiels aus Karlstein (Main) und gesammelter Einsatzstellenbewertungen der deutschen Feuerwehren (AGBF/DFV) die Relevanz und bisherigen phänomenologischen Erkenntnisse dar. Darauf aufbauend werden Lithium-Ionen-Batterien in ihrer Brandwirkungsweise kurz erläutert. Die bisherigen Forschungsergebnisse und Empfehlungen der deutschen Feuerwehren zu dem Themenkomplex ordnen die bisher lückenhaften Erkenntnisse zur Lagerung und Produktion aus VB-Sicht ein.
