Angepasste Löschtechnik für Denkmalschutz

Im Jahr 2001 wurden im Rahmen einer durch die Stadt Frankfurt veranlassten Sonderbaukontrolle am historischen Gebäude Palmengarten-Gesellschaftshaus rund 120 brandschutztechnische Mängel festgestellt. Insbesondere der Personenschutz wurde bemängelt und das Gesellschaftshaus im Palmengarten deshalb geschlossen. Umfangreiche brandschutztechnische Sanierungsmaßnahmen standen in den Folgejahren für das unter Denkmalschutz stehende Gebäude an. Zum Einsatz kommt jetzt u. a. eine Feinsprühlöschanlage nebst einer speziell angepassten RWA-Anlage.

50 Mio. Euro wurden für die Sanierung des „Palmengarten-Gesellschaftshaus“ benötigt. Bei diesem besonderen Renomee-Objekt der Stadt Frankfurt und der Komplexibilität des Bauvorhabens war es sehr wichtig, von Anfang an die größtmögliche Planungssicherheit zu gewährleisten. Daher wurden bereits in einer frühen Planungsphase alle wichtigen Brandschutz- und weiteren Experten in den Planungsprozess eingebunden. Walter Arnold, Leiter des Fachbereichs Technische Diens­te beim Hochbauamt der Stadt Frankfurt, und Gerd Heetpas, VdS-Prüfsachverständiger für Löschanlagen, haben das Projekt über Jahre hinweg federführend begleitet und berichten über die Ergebnisse und Erfahrungen.

„Grüne Lunge“ im Herzen der Stadt
Der Palmengarten in Frankfurt am Main ist einer der renommiertesten Botanischen Gärten Europas und bekannt als die „grüne Lunge“ im Herzen der Stadt. Er entstand 1868 auf eine Initiative der Frankfurter Bürger hin, um die wertvollen Pflanzensammlungen des Herzogs Adolph von Nassau von Wiesbaden nach Frankfurt zu holen. Diesem gesellschaftlichen Engagement ist der Palmengarten als öffentliche Anlage noch immer verpflichtet. Unter dem Motto „Pflanzen.Leben.Kultur“ bedient er heute verschiedenste Ansprüche.
Pflanzen aus nahezu allen Vegetationszonen der Erde, vom tropischen Regenwald bis zur Subantarktis, können hier besichtigt werden. Weltweit gehört der Palmengarten nach eigenem Bekunden zu den zehn artenreichsten Gärten. Neben Pflanzenliebhabern oder Entspannungssuchenden kommen hier insbesondere Kunst- und Kulturliebhaber auf ihre Kos­ten. Der Palmengarten verfügt u. a. über ein Gesellschaftshaus mit einem historischen Festsaal, in dem Bälle und große Feste für bis zu 1200 Personen abgehalten werden. „Die Besonderheit des gro­ßen, prunkvollen Festsaales besteht darin, dass er an der Nordseite, die sich zum exotischen Palmenhaus hin öffnet, voll verglast ist. Bei Veranstaltungen haben Gäste so einen grandiosen Ausblick ins Grüne, auf riesige Palmen und tropische Pflanzen unter einem viktorianischen Glasdach“, erklärt der Leiter des Fachbereichs Technische Dienste beim Hochbauamt, Walter Arnold.

Gesellschaftshaus in Flammen
Das Gesellschaftshaus entstand 1871, als Bürger der Stadt Frankfurt ein repräsentatives Festsaalgebäude – damals bekannt als Tanz-Café – direkt neben dem zwei Jahre zuvor erbauten Palmenhaus gründeten. Nur sieben Jahre später, am 11. August 1878, fiel das Gesellschaftshaus einem verheerenden Brand zum Opfer. Arnold: „Die Feuerwehr rückte damals üblicherweise mit einem kleinen Karren und entsprechend geringer Wassermenge an. Denn die Einsatzkräfte hatten seinerzeit fast keine Möglichkeiten, größere Feuer zu löschen. Es war üblich, Gebäude kontrolliert abbrennen zu lassen.“
Dazu eine interessante Anekdote: Das Palmenhaus, das direkt an den historischen Festsaal angrenzt, ist 1878 als einziger Gebäudeteil nicht abgebrannt. Grund dafür waren die Palmen: Diese Pflanzen benötigen eine sehr konstante Luftfeuchtigkeit von über 90 %. „Diese stellten die Ingenieure damals mit einer Technik sicher, die unserer heutigen Nebellöschtechnik durchaus ähnelt“, erläuter der VdS-Prüfsachverständige Gerd Heetpas und weiter: „Metallische Verteilersiebe sorgten von an der Decke angebrachten Rohren aus für eine durchgängige Wasserbesprenklung. Da hatte der Brand keine Chance.“ Im Palmenhaus sowie in den zahlreichen Tropicarien des Palmengartens wird aus diesem Grund auch heute noch kein anlagentechnischer Brandschutz benötigt. „Die hohe Luftfeuchtigkeit ist in den dschungelartigen Einrichtungen unser bester Schutz“, so Arnold. Trotzdem sind für alle Fälle im Inneren des Palmenhauses im Bereich der Fluchttüren Handfeuermelder eingebaut.
Zurück zum Brand von 1878: Der Neubau im Jahr darauf wurde innerhalb von 15 Monaten wieder neu errichtet und orientierte sich am Kern des alten Gesellschaftshauses.

Bauerhalt trotz Brandschutzmängel
2001 prüfte die Bauaufsichtsbehörde den Brandschutz im Gesellschaftshaus mit dem Ergebnis, welches damals zur Schließung führte. Das Gebäude durfte in seiner damaligen Form nicht mehr genutzt werden. Ein kompletter Abriss wurde diskutiert. Da Frankfurt im Krieg allerdings viel an historischer Bausubstanz verloren hatte, sollte das Palmengarten-Gesellschaftshaus erhalten bleiben. Heetpas: „Kurz gesagt hieß es daher: Brandschutzexperten, überlegt euch etwas! Die alte Bausubstanz des Gesellschaftshauses sollte restauriert und wiederbelebt werden, aber eine solche Denkmalpflege erschwert natürlich den Brandschutz. Beispielsweise verwendet man für heutige Bauten üblicherweise schwer brennbares Material – das war im Gesellschaftshaus allerdings nicht möglich. Wir mussten uns u. a. mit den alten Gips-Holz-Konstruktionen arrangieren und somit den Besonderheiten der historischen Bausubstanz und den modernen Anforderungen an eine Versammlungsstätte gleichermaßen gerecht werden.“
Vor besondere Herausforderungen wurden die Brandschutzexperten auch mit einer Galerie gestellt, die den Festsaal im ersten Stock komplett umläuft. Dazu der Leiter des Fachbereichs Technische Dienste beim Hochbauamt: „Im Ernstfall ist die Galerie der kritischste Gebäudeteil des Gesellschaftshauses. Da sie einen Fluchtweg darstellt, fordern die Vorschriften an sich eine F90-Ausbildung. Dies war jedoch nicht möglich, sodass der fehlende bauliche durch einen technischen Brandschutz kompensiert werden musste.“

Anlagentechnische Maßnahmen
Die Verantwortlichen mussten mit zahlreichen F0-Materialien in der Bausubstanz zurechtkommen. Abgesehen vom Mauerwerk bestehen die Galerie, die freigelegte und restaurierte historische Decke sowie das darüberliegende Glasdach im Festsaal überwiegend aus brennbaren Materialien. „Die Gesamtkonstruktion der Galerie aus lose auf Stahltragwerken aufgelegtem Holz leistet keinesfalls die allgemein geforderten 90 Min. Feuerwiderstandskraft“, sagt Heetpas. Um hier den fehlenden oder unvollständigen baulichen Brandschutz zu kompensieren, wurden im Brandschutzkonzept umfangreiche anlagentechnische Maßnahmen vorgesehen. In ausgewählten Bereichen befinden sich nun Wasserlöschanlagen. In Kombination mit einem ausgeklügelten Entrauchungskonzept soll damit allen Personen in der Versammlungsstätte ein sicheres Flüchten ermöglicht werden. Arnold: „Dabei legten wir für diesen speziellen Bereich mit seiner historischen Substanz – wie den Neo-Renaissance-Stuckarbeiten aus Gips und der wertvollen Wandbemalung – einen besonderen Fokus auf die weitgehende Reduzierung der ausgetragenen Wassermenge. Aus diesem Grund arbeiten wir hier im Gesellschaftshaus in den meisten Bereichen mit einer Wassernebel-Sprinkleranlage“.
Gegenüber herkömmlichen Sprinkleranlagen arbeitet die Wassernebeltechnik mit einem erheblich geringeren Wassereintrag. Der Arbeitsbereich von Sprinklern herkömmlicher Bauart liegt zwischen 0,35 und 12 bar Wasserdruck. Im Gesellschaftshaus des Palmengarten dagegen wird das Wasser mit 80 bis 120 bar aus den Sprinklern der Hochdruck-Wassernebel-Sprinkleranlage ausgetragen, was zu einer sehr feinen Zerstäubung und damit zur Bildung kleiner Tropfen führt. Der Tropfendurchmesser liegt im Schnitt bei Werten von unter 1 mm und ist damit ca. 30-mal kleiner als der Durchmesser von Tropfen aus herkömmlichen Sprinklern.

Einbindung von Experten
Wassernebelsysteme waren bei den Planungen seinerzeit nichts völlig Neues mehr, dennoch hat die Stadt Frankfurt hier Sicherheits- Neuland betreten. Heetpas: „Die zuständigen Brandschutzexperten haben sich abgesichert, indem das Institut VdS Schadenverhütung neben der Erstellung des Brandversuchskonzeptes und der Begleitung der Versuchsdurchführung in der Planungsphase mit der Prüfung von Projekt- und Planungsdaten betraut wurde.“
Diese frühzeitige Einbindung von Experten hatte zum Ziel, die Planungs- und Ausführungsqualität von Anfang an auf höchstem Niveau zu sichern. Damit war der Weg geebnet für die anstehende Abnahme der installierten Feinsprühlöschanlage durch die VdS-Prüfsachverständigen. Volle Planungssicherheit genoss die Brandschutztechnik der Stadt Frankfurt so direkt von Anfang an.
„Bei der damaligen Planung der Technik konnte man zwar schon auf Erfahrungen mit Hochdruck-Wassernebel-Systemen zurückgreifen. Die vorhandenen VdS-Anerkennungen bezogen sich allerdings nur auf Bereiche mit deutlich geringeren Raumhöhen“, erklärt der VdS-Prüfsachverständige Heetpas.
Arnold: „Die Feinsprühtechnik half uns zum großen Teil, den Renaissancestil des Gebäudes zu erhalten. Schließlich ist das Gesellschaftshaus in Kombination mit dem Palmenhaus ein in Europa einmaliges architektonisches Ensemble. Um diese Einmaligkeit weiter ungestört genießen zu können, lautete die Aufgabenstellung, dass in den historischen Bereichen möglichst keine Technik sichtbar sein sollte. Hier ist es uns gemeinsam mit dem Ingenieurbüro Pabst & Partner aus Bonn als Ersteller des Brandschutzkonzepts, den Architekten David Chipperfield Architects aus London/Berlin, der Firma Marioff und den Prüfern von VdS gelungen, ein tolles Konzept umzusetzen.“

Neue Technik hinter alten Elementen
Die Rohrleitungen der Wassernebel-Sprinkleranlage wurden hinter den Stuck­elementen in den Wänden verlegt, unsichtbar für den Besucher. „Nach oben hin haben wir die Technik in den Zwischendeckenbereich eingebaut und nach unten hin jeweils nur kleine Stiche durchgeführt“, so Arnold. Die Sprühköpfe an der Decke des Festsaals sind hinter einer farblich passenden Gitterabdeckung versteckt. Wird ein Brand erkannt und der Sprühkopf löst aus, dann fällt das von einem Magneten gehaltene Gitter herunter. Arnold: „Für die Feinsprühlöschanlage haben wir uns auch deshalb entschieden, weil im Vergleich zu herkömmlichen Sprinklern nur sehr filigrane Rohrleitungen verbaut werden müssen.“
Wassernebel-Sprinkleranlagen fah­ren einen sogenannten „Kontrollmodus“ – Brände werden nicht gelöscht, sondern durch Kühlung des Umfeldes unter Kontrolle gehalten. Die Löschung selbst erfolgt dann durch die Feuerwehr. Arnold: „Hier in Frankfurt erreicht die Feuerwehr jeden Brandherd innerhalb von nur 8 min. Unser Schutzziel ist, dass die Feinsprühlöschanlage im Brandfall allen anwesenden Personen die Flucht ermöglicht. Schließlich gilt generell, nicht nur für Versammlungsstätten: erst Personenschutz, dann Sachschutz. Zum Löschen selbst, also zum Gebäudeschutz nach der Evakuierung aller anwesenden Personen, brauchen wir dann unbedingt die Feuerwehr. Aus Gründen des Denkmalschutzes beschränken wir den Schutzumfang der Löschanlagen auf genau die Bauteile und Bereiche, die im Brandfall nicht ausreichend standfest sind und damit den Personenschutz beeinträchtigen könnten.“
Aus diesem Grund wurde die Wassernebel-Sprinkleranlage in sechs Bereiche aufgeteilt. Einzelne Schutzbereiche sind z. B. die Galerie im Erdgeschoss des Festsaals oder die Zwischendecke im Dachbereich. Darüber hinaus sind schnellansprechende Sprühköpfe installiert, die ab einer Umgebungstemperatur von ca. 68 °C selektiv auslösen und damit nur dort wirken, wo sie tatsächlich gebraucht werden.

Brandversuchskonzept
Die Wirkung der Feinsprühlöschanlage beruht insbesondere darauf, dass mit den kleinen Tropfen eine sehr große Gesamtfläche für den Wärmeübergang erzeugt wird. Die schnell verdampfenden kleinen Tropfen entziehen dem Brand Wärme. Hierbei ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die Tropfen die Reaktionszone erreichen. „Aufgrund ihrer geringen Masse können die kleinen Tropfen jedoch durch aufsteigende Brandgase und Querluftströmungen abgelenkt werden. Diese stehen dann nicht oder nur noch reduziert zur Verfügung“, erklärt Heetpas.
VdS Schadenverhütung wurde daher beauftragt, ein Brandversuchskonzept zu erstellen, das insbesondere die umlaufende Galerie, die große Raumhöhe und partielle Querströmungen durch die vorhandenen Entrauchungseinrichtungen berücksichtigt. Hierbei sollten die Rahmenbedingungen für einen Brandversuch im Maßstab 1:1 festgelegt werden. Heetpas: „Auf Basis des Brandversuchskonzeptes konnten wir dann die Versuche in der großen Brandhalle der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin durchführen. So war der Wirksamkeitsnachweis auch für die Abweichungen zu den VdS-Anerkennungsparametern erbracht, und wir konnten mit der Detailplanung der Wassernebel-Sprinkleranlage beginnen.“
Die Wassernebel-Sprinkleranlage sichert den größten Teil der denkmalgeschützten Bereiche im alten Renaissancestil-Bestand. Aufgrund der hohen Raumhöhe von fast 16 m mussten im Deckenbereich des Festsaals oberhalb der Galerie jedoch herkömmliche Sprinkler verwendet werden. Im Deckenzwischenbereich konnten wiederum Sprühköpfe der Wassernebel-Sprinkleranlage installiert werden, um auch dort den Wassereintrag möglichst gering zu halten. Der Zwischendeckenbereich im Gesellschaftshaus galt für den Brandschutz als besonders kritisch, bevor er mit der Technik optimiert wurde. „Wäre es früher im Zwischendeckenbereich des Festsaals zu einem Feuer gekommen, wäre dieses manuell kaum zu löschen gewesen“, ergänzt Heetpas.
In die nach einem kriegsbedingten Abbrand in den 1950er-Jahren neu gebauten, also nicht denkmalgeschützten Gebäudeteile wurde der volle bauliche und technische Brandschutz eingebaut – von feuerwiderstandsfähigen Materialien über selbstschließende Brandschutztüren und die Brandmeldeanlage bis hin zu einer Sonderlöschanlage in der Küche sowie Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (RWA) in den Treppenhäusern.

Entrauchung
Um Personenschutz sicherzustellen, rechnet die Feuerwehr ab ihrem Eintreffen rückwärts: Die Einsatzkräfte sind in Frankfurt innerhalb von maximal acht Minuten vor Ort. Innerhalb dieser Zeitspanne muss der Festsaal komplett geräumt sein, sodass Rauch von der Galerie weg und in die Raummitte hin gezogen werden muss. „Aus diesem Grund haben wir uns für einen natürlichen Rauch-Wärme-Abzug durch Kamin-Wirkung entschieden, denn Ventilatoren oder sonstige automatische RWA-Teile passen nicht in das historische Dach“, betont der Leiter Technische Dienste des Hochbauamtes.
Die Brandschutzgutachter vom Büro Pabst & Partner konnten anhand mehrerer Brandsimulationsberechnungen nachweisen, dass eine natürliche Entrauchung funktioniert. Diese natürliche Entrauchung findet auf zwei Ebenen statt: Die erste RWA-Ebene befindet sich in der historischen Lichtdecke des Festsaals. Hierfür wurden Rauchabzugselemente von DCA und dem Sachverständigenbüro Pabst & Partner individuell designt, die ins historische Lichtdeckenraster passen und deren Antriebe von unten nicht sichtbar sind. Darüber befinden sich im gläsernen Dachteil des Gebäudedachs weitere Rauchabzugselemente. Da Letztere in der Dachschräge eingebaut sind, musste hier der Windeinfluss besonders berücksichtigt werden, um die Entrauchungswirksamkeit zu gewährleisten. „Dafür wurden eigene Windkanalversuche beim Institut für Industrieaerodynamik GmbH durchgeführt, auf deren Basis schließlich die Dimensionierung geeigneter Windleitvorrichtungen möglich war“, so Arnold.
Um der besonderen Problematik der Zwei-Ebenen-RWA und möglicher Wärmestaus in der Zwischendecke gerecht zu werden, wurden auch Berechnungen für den Sommerfall durchgeführt. Die Feldmodellsimulationen waren auch Grundlage für die Beurteilung des Zusammenwirkens von Entrauchung und Hochdruck-Wassernebel-Sprinkleranlage, da im Palmengarten insbesondere im Bereich der Zuluft mit Querströmungen unterhalb der Galerie zu rechnen ist.
Arnold: „Erwähnenswert ist noch, dass das Ingenieurbüro Pabst & Partner außerdem dynamische Evakuierungssimulationsberechnungen zur Bestimmung der Räumungszeit des Festsaals durchgeführt hat. Der Grund: Bei einem Brand unmittelbar unterhalb der Galerie konnte die Verrauchung der darüberliegenden Galerie nicht verhindert werden, da sich der Einsatz von Rauchlenkungsmaßnahmen wie z. B. Rauchschürzen aus denkmalpflegerischen Gründen verbot. Mit den Berechnungen konnten wir auch für diesen Bereich eine hinreichend schnelle Räumung sicherstellen und nachweisen, bevor die Verrauchung dort kritische Werte erreicht.“
Aufgrund der angesprochenen Gefahren der Zerstörung von Kulturgut durch unnötigen Wassereintrag werden im Festsaal Zweikriterienmelder genutzt. Mögliche Brände werden sowohl optisch als auch durch Rauchansaugung, die ständig Partikel auswertet, identifiziert. Die Mehrlinienabhängigkeit soll so gegen Fehlalarme schützen.

Rauchversuch
Ein realer Rauchversuch im Festsaal hat ergeben, dass die natürlichen Rauch- und Wärmeabzugsgeräte (NRWG) innerhalb einer Minute ab Beginn der Brandentwicklung vollständig geöffnet waren. Um den natürlichen Rauchabzug mittels Kaminwirkung sicherzustellen, muss sich zuerst das Glasdach öffnen. Nur das mittlere Oberlicht der Glasdecke dient als natürliche RWA. 10 Sek. nach Öffnung der Dachklappen öffnen sich dann automatisch noch fünf Flügeltüren ins Freie, sodass Außenluft von mehreren Seiten in den Festsaal einströmt. Die Türen zu angrenzenden Gebäudebereichen werden automatisch geschlossen – sie verfügen jedoch über Notöffnungsvorrichtungen.
Im Versuch stieg der Rauch schon vor Aktivierung der Zuluftöffnungen senkrecht bis zur Festsaaldecke und breitete sich dort gleichmäßig aus. Dazu erklärt Arnold abschließend: „Die Rauchversuche direkt vor Ort haben wir mit einem dem bekannten Disko-Nebel sehr ähnlichen gängigen Stoff durchgeführt. Dieser wurde thermisch erhitzt, sodass er rauchgleich aufstieg. Die Versuchsorte befanden sich dabei an den (gemäß Brandschutzgutachten) kritischsten Stellen: in der Raummitte sowie auf Wunsch der Frankfurter Feuerwehr auch direkt unterhalb der Galerie. Der Rauch wurde während des gesamten Versuchsablaufs sicher über die geöffneten NRWG abgeführt. Bereits nach etwa 6 Min. stellte sich eine stationäre Entrauchungssituation mit einer für Menschen ausreichend hohen stabilen raucharmen Schichtung ein. Und wir konnten auch keinen Raucheintrag in die Fluchtwegebereiche beobachten. Die Vorgabe der Feuerwehr, bis zu ihrem Eintreffen eine Schicht von 2,5 m rauchfrei zu halten, wurde durch unsere Technik also klar erfüllt.“