Empfehlung der kantonalen Gebäudeversicherung Waadt (ECA) für Ingenieurmethoden zur Berechnung der Feuerwiderstandsdauer von Tragwerken

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1 Ingenieurverfahren Brandsicherheit Empfehlung der kantonalen Gebäudeversicherung Waadt (ECA) für Ingenieurmethoden zur Berechnung der Feuerwiderstandsdauer von Tragwerken Aufgaben und Anforderungen Kantonale Gebäudeversicherung (ECA), Abteilung Prävention Avenue du Général Guisan, Pully Telefon

2 Redaktion: ECA Abteilung Prävention Avenue du Général Guisan, Pully September 2011 Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 2/27

3 Inhalt 1. EINLEITUNG KONTEXT GESETZLICHER RAHMEN STAND DER TECHNIK UND REFERENZDOKUMENTE EMPFEHLUNG DER KANTONALEN GEBÄUDEVERSICHERUNG WAADT (ECA) ZUR ANWENDUNG VON INGENIEURMETHODEN IM RAHMEN VON SIMULATIONSMODELLEN ROLLEN UND ANFORDERUNGEN GELTUNGSBEREICH METHODIK BERECHNUNG VON TRAGWERKEN UNTER BRANDEINWIRKUNG ALLGEMEINE GRUNDSÄTZE AUFGABEN UND VERANTWORTLICHKEITEN SCHUTZZIELE ALLGEMEINE SCHUTZZIELE BESONDERE SCHUTZZIELE BRANDSZENARIEN ALLGEMEINES NORMBRANDSZENARIEN NATURBRANDSZENARIEN WEITERE ANNAHMEN BRANDABSCHNITTSBILDUNG NUTZUNG THERMISCHE UND MECHANISCHE ANALYSEN BERECHNUNG DER THERMISCHEN EINFLÜSSE WÄRMEAUSBREITUNG IN DEN TRAGWERKEN BERECHNUNG DER TRAGWERKE RECHENMODELLE ROBUSTHEITSKRITERIEN ERFORDERLICHE UNTERLAGEN SPEZIFISCHE BRANDSCHUTZZIELE BRANDSZENARIEN BAUWEISE BERECHNUNGSVERFAHREN THERMISCHE UND MECHANISCHE ANALYSEN ERGEBNISSE PROJEKTDURCHFÜHRUNG UND -ÜBERWACHUNG, BESONDERE VORBEHALTE ANHANG A: BIBLIOGRAPHIE ANHANG B: DEFINITIONEN ANHANG C: INGENIEURMETHODEN FÜR DIE BRANDSICHERHEIT Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 3/27

4 1. Einleitung 1.1. Kontext Das vorliegende Dokument wurde im Rahmen der Entwicklung von leistungsorientierten Ingenieurmethoden des Brandschutzes und im Hinblick auf die Erfüllung des Auftrags der kantonalen Gebäudeversicherung Waadt (ECA) bei der Durchführung von Berechnungen zur Feuerwiderstandsdauer von Tragwerken erstellt. Die Hauptziele dieser Empfehlung für die Berechnung von Tragwerken können wie folgt zusammengefasst werden: Sie soll den Anwendungsbereich der Berechnung der Feuerwiderstandsdauer von Tragwerken sowie den Gesamtablauf einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie in Ergänzung zu den anwendbaren Vorschriften erläutern; Sie soll die Funktionen und Verantwortlichkeiten der einzelnen Beteiligten für alle Phasen einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie genau festlegen. Letztere muss insbesondere darauf ausgerichtet sein, den Zielen der verschiedenen beteiligten Projektparteien gerecht zu werden; Sie soll gewährleisten, dass die eingesetzten Methoden dem derzeitigen gesetzlichen Rahmen entsprechen; Sie soll der Brandschutzbehörde Mittel an die Hand geben, ihre Zustimmung zu den (vor der Berechnung) eingereichten Daten und zum vorgelegten Schlussnachweis zu geben; 1.2. Gesetzlicher Rahmen Die Möglichkeit, den geforderten Feuerwiderstand für Tragwerke unter Naturbrandbedingungen nachzuweisen, wird in Artikel 6.2 der Brandschutzrichtlinie Tragwerke (VKF 14-03, 2003) genannt. Die Durchführung von Berechnungen unter Naturbrandbedingungen kann im Rahmen von Artikel 11 der VKF-Brandschutznorm ebenfalls in Betracht gezogen werden. Der Rückgriff auf eine Berechnung unter Naturbrandbedingungen bleibt jedoch Sonderfällen vorbehalten und muss von der Brandschutzbehörde genehmigt werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass bei Berechnung unter Naturbrandbedingungen die Vorgaben für die Feuerwiderstandsdauer ersetzt werden durch die Vorgaben für die Tragfestigkeit. Im weiteren Sinne fällt die Durchführung von Berechnungen zur Feuerwiderstandsdauer von Tragwerken unter Artikel 31 der Brandschutznorm (VKF, 2003) und Artikel 6.1 und 6.3 der Brandschutzrichtlinie Tragwerke (VKF 14-03, 2003). Des Weiteren kann die auf einer Naturbrandkurve basierende Berechnung keine anderen Brandschutzmassnahmen (bspw. Fluchtwege, Brandabschnittsbildung), die gemäss den VKF-Vorschriften erforderlich sind, ersetzen. Aufgrund der Interkantonalen Vereinbarung zum Abbau technischer Handelshemmnisse (IVTH) haben die Brandschutznorm und die Brandschutzrichtlinie der VKF (in der Fassung von 2005) Gesetzeskraft und sind in der gesamten Schweiz durch die kantonale Gesetzgebung umgesetzt. Infolgedessen müssen die von der VKF vorgeschriebenen Brandschutzmassnahmen angewendet werden Stand der Technik und Referenzdokumente Die ECA-Empfehlung dient als Grundlage für die Anwendung der Ingenieurmethoden des Brandschutzes für Tragwerke. Wenn auf spezifische Normen oder den Stand der Technik Bezug genommen wird, ist dies ausdrücklich erwähnt. Für Aspekte, die nicht von der vorliegenden Empfehlung abgedeckt werden, dienen Dokumente als Referenz, die den Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 4/27

5 Stand der Technik definieren: insbesondere die Schriften des Stahlbau Zentrum Schweiz (SZS) sowie die SIA-Normen für Tragwerke (SIA 260 bis 267 und 269). Ergänzend hierzu bilden die Eurocodes zur Planung und Berechnung von Bauwerken SN EN 1990 bis 1999 sowie die nationalen Anhänge geeignete Informationsquellen Empfehlung der kantonalen Gebäudeversicherung Waadt (ECA) zur Anwendung von Ingenieurmethoden im Rahmen von Simulationsmodellen Rollen und Anforderungen Das vorliegende Dokument ist klar zu unterscheiden von der Empfehlung der kantonalen Gebäudeversicherung Waadt (ECA) zur Anwendung von Ingenieurmethoden im Rahmen von Simulationsmodellen Rollen und Anforderungen, welche Aspekte im Zusammenhang mit der Entrauchungstechnik behandelt. Die zuletzt genannte Empfehlung regelt insbesondere detailliert die Zusammenarbeit zwischen dem Ersteller eines Entrauchungskonzepts/-nachweises und der Brandschutzbehörde, sie gibt eine Übersicht über Schutzziele, Brandszenarien und Ingenieurmethoden. Sie nennt den erforderlichen allgemeinen Ablauf einer Entrauchungsstudie sowie die Inhalte der Dokumentation eines Nachweises. 2. Geltungsbereich Die Durchführung von Berechnungen unter Naturbrandbedingungen muss vorrangig für Sonderfälle (z.b. geringe Brandlast, hohe Räume oder Räume mit grosser Wärmeabführung) in Betracht gezogen werden, wenn man erwarten kann, dass die Temperaturen, die am Brandort erreicht werden, selbst im Falle eines Vollbrands unter den kritischen Werten liegen [1]. In diesen Fällen können die aufgrund der Dimensionierung nach einer Normbrandkurve errechneten Anforderungen sich insbesondere für den Stahlbau als unverhältnismässig herausstellen. Die Überprüfung der Feuerwiderstandsdauer durch Berechnungen unter Naturbrandbedingungen kann, unter Vorbehalt der Zustimmung durch die zuständige Prüfstelle, auf andere Bauten- und Anlagentypen ausgedehnt werden. Der Zweck der Berechnung unter Naturbrandbedingungen sollte eine Rationalisierung der Brandschutzmassnahmen an Tragwerken sein, ohne unzulässige Verringerung des Sicherheitsniveaus und in Übereinstimmung mit den definierten Schutzzielen. In jedem Fall muss parallel oder vor einer Bauplanung gemäss Naturbrandbedingungen notwendigerweise ein individuelles Brandschutzkonzept entwickelt werden, welches die konstruktiven, technischen und organisatorischen Brandschutzmassnahmen entsprechend der vorgesehenen Nutzung festlegt. 3. Methodik 3.1. Berechnung von Tragwerken unter Brandeinwirkung allgemeine Grundsätze Die Durchführung einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie in Bezug auf die Folgen einer Brandeinwirkung auf Tragwerke muss folgende Punkte berücksichtigen: Festlegung der Brandschutzziele sowie der zugehörigen funktionalen Anforderungen und Leistungskriterien; Auswahl geeigneter Brandszenarien und Bemessungsbrände; Erstellung der zugehörigen Temperaturkurven; Berechnung der Temperaturentwicklung im Innern der Tragwerke; Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 5/27

6 Berechnung des mechanischen Verhaltens des Tragwerks unter Brandeinwirkung und Schlussfolgerungen für ihre Tragfähigkeit. SCHUTZZIELE und Leistungskriterien BRANDSZENARIEN und zugehörige Temperaturkurven Erwärmung der TRAGWERKE und Auswirkungen auf die Tragfähigkeit KAPITEL 4 KAPITEL 5 KAPITEL 7 Abbildung 1: Schlüsselbegriffe einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie zur Feuerwiderstandsfähigkeit von Tragwerken und zugehörige Kapitel im Dokument Üblicherweise können für Berechnungen zum Verhalten von Tragwerken unter Brandeinwirkung zwei Modelle betrachtet werden: 1. der ISO-Normbrand : Hier basieren die Berechnungen auf einer vorgeschriebenen Feuerwiderstandsdauer entsprechend einer normalisierten Brandkurve 2. der Naturbrand : In diesem Fall basieren die Berechnungen auf dem Versagensrisiko unter der Berücksichtigung der Gesamtheit der Wärmeeinwirkung; sie können einen statistischen Ansatz beinhalten. Ferner findet sich im Anhang C eine kurze Beschreibung der allgemeinen Grundsätze, die für jede ingenieurmäßige Brandschutzstudie Gültigkeit haben Aufgaben und Verantwortlichkeiten Schutzziele Das für die Berechnungen zuständige Planungsbüro hat einen Vorschlag über die Brandschutzziele und die zugehörigen Leistungskriterien auszuarbeiten und der betroffenen Brandschutzbehörde vor Erstellung des Nachweises zur Genehmigung vorzulegen. Der Vorschlag muss dem gesetzlichen Rahmen entsprechen und die Grundsätze einhalten, die in der vorliegenden Empfehlung ausgeführt sind. Die abschliessende Validierung der Bewertungskriterien der Schutzziele ist Sache der Behörde. Brandszenarien Der Ingenieur teilt mit, welche Brandszenarien und zugehörigen Temperaturkurven zugrunde gelegt wurden und unterbreitet diese Informationen der Brandschutzbehörde zur Stellungnahme vor Erstellung des Nachweises. Falls andere als die im vorliegenden Dokument genannten Brandeigenschaften vom Ingenieur gewählt werden, muss dieser seine Wahl in schriftlicher Form verständlich und stichhaltig begründen. Berechnungsmodelle Für die Auswahl der Berechnungsmodelle, ihre Anwendung und die Auswertung der Ergebnisse ist das Fachbüro verantwortlich. Die Berechnungsannahmen und die gewählten Parameter sind genau zu beschreiben und müssen der vorliegenden Empfehlung entsprechen. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 6/27

7 Thermische und mechanische Analysen Die thermischen und mechanischen Analysen einschliesslich der Berechnung der Temperaturentwicklung im Inneren der Tragwerke und ihres mechanischen Verhaltens unter Brandeinwirkung liegen vollständig in der Verantwortung des Fachbüros. Die zuständige Brandschutzbehörde validiert nicht die Ergebnisse, sondern sie wird darüber informiert, ob die definierten Schutzziele erfüllt sind und welche eventuellen Abweichungen auftreten. Wenn die Abweichungen inakzeptabel sind, bleiben zusätzliche Sicherheitsmassnahmen vorbehalten. Bauherr, Eigentümer- und Nutzerschaft (siehe auch Kapitel 9) Im Falle einer Berechnung der Feuerwiderstandsdauer unter Naturbrandbedingungen kann der Bauherr, die Eigentümer- und/oder die Nutzerschaft im Hinblick darauf haftbar gemacht werden, dass Annahmen in Bezug auf die Verwendung und Nutzung der Räumlichkeiten formuliert wurden: insbesondere zu der Brandlast und den Belüftungsverhältnissen. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Lebensdauer des Gebäudes zu legen: Die Festlegung bestimmter Parameter im Rahmen einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie kann die Möglichkeiten für einen Umbau oder eine Umwidmung der von der Planung betroffenen Räume stark einschränken. Sachdienliche Informationen zu den Verantwortlichkeiten der verschiedenen Beteiligten sind ausserdem im Dokument Qualitätssicherung von Lignum zu finden [10]. 4. Schutzziele 4.1. Allgemeine Schutzziele Allgemein formuliert soll die Feuerwiderstandsfähigkeit eines Tragwerks die Evakuierung von Personen und die Brandbekämpfung sicherstellen (VKF-Brandschutzrichtlinie 14-03, 2003). Tragwerke sind so zu bemessen und zu erstellen, dass sie im Brandfall eine ausreichende Standsicherheit bewahren. Ferner müssen die Tragwerke aufgrund ihrer Bemessung und Errichtung gewährleisten, dass weder das vorzeitige Versagen eines einzelnen Bauteils noch die Auswirkung von Wärmedehnungen auf gleicher Ebene oder in anderen Geschossen zu ihrem Einsturz führen und keine unverhältnismässigen Schäden in angrenzenden Brandabschnitten entstehen (bspw. ein signifikanter Verlust der Brandabschnittsbildung, welcher zur Ausbreitung des Brandes führt). Ein Nachweis hierfür kann gefordert werden Besondere Schutzziele Vorbemerkungen Die beiden Modelle ISO-Normbrand und Naturbrand, die im Rahmen von Berechnungen zur Brandbeanspruchung von Tragwerken zum Ansatz kommen können, berücksichtigen unterschiedliche Leistungskriterien. Jedes dieser Modelle kann verwendet werden, um nachzuweisen, dass die allgemeinen Schutzziele eingehalten werden. Bei beiden Modellen geht es darum, eine ausreichende Tragsicherheit im Brandfall zu gewährleisten: Dazu wird sowohl die Brandeinwirkung im Zusammenhang mit Verformungen (Materialdehnung aufgrund von Wärmeeinwirkung) wie auch der Einfluss der Temperatur auf die Materialeigenschaften der Baustoffe berücksichtigt. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 7/27

8 Gewährleistung der Garantir Evakuierung l évacuation von des Personen personnes und der et la lutte Brandbekämpfung contre le feu Approche ISO-Normbrand -Modell «durée au feu ISO» Approche Naturbrand -Modell «feu naturel» Gewährleistung der Feuerwiderstandsfähigkeit Garantir pour une durée für eine déterminée bestimmte Dauer la résistance unter Normbrandbedingungen au feu normalisé Garantir Gewährleistung pour toute eines la durée de akzeptablen l incendie un Versagensrisikos unter Naturbrand- risque de ruine acceptable sous bedingungen für die gesamte l effet Dauer du des feu Brandes naturel ALLGEMEINE MÖGLICHE BESONDERE SCHUTZZIELE MODELLE SCHUTZZIELE Abbildung 2: Mögliche Modelle zur Bewertung der Brandschutzziele der Tragwerke Berechnung gemäss ISO-Normbrand Die allgemeinen Brandschutzziele gelten gemäss Übereinkunft als erfüllt, wenn die Tragwerke dem Normbrand während einer vorgeschriebenen Dauer standhalten. Das herkömmliche Leistungskriterium besteht somit in einer Feuerwiderstandsdauer; hierbei werden die Anzahl der Geschosse, die Brandbelastung, die Bauart, die Fläche und die Nutzung des Gebäudes sowie das Vorhandensein einer Sprinkleranlage berücksichtigt. Für alle Berechnungen gemäss dieser Methode sind die jeweiligen Leistungsanforderungen (R 30, R 60 usw.) in der Brandschutzrichtlinie Tragwerke (VKF 14-03, 2003) festgelegt. Im Zweifel sind die von der zuständigen Behörde bei der Auflage festgesetzten Anforderungen massgeblich. 1'200 1'000 Temperatur ( C) Température [ C] ( C) R 30 R 60 R Expositionsdauer Durée d exposition unter Normbrandbedingungen au feu normalisé (minutes) [Minuten] Abbildung 3: Darstellung des gemäss Normbrand-Modell geforderten Leistungsniveaus Berechnung gemäss Naturbrand Im Falle des Naturbrands ist das entsprechende Leistungskriterium das Versagensrisiko des Bauwerks. Der Begriff der Feuerwiderstandsdauer ist hier nicht anwendbar: In die Berechnung geht die Gesamtheit der beim Brand entstehenden thermischen Belastung ein (Zündphase, Brandausbreitung, Vollbrand, Abklingphase, Erlöschen). Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 8/27

9 Anhand von definierten Brandszenarien ist zu überprüfen, ob die Tragsicherheit während der Gesamtdauer des Brands, und in manchen Fällen auch während der Abkühlphase des Bauwerks, gewährleistet ist. Diese Überprüfung berücksichtigt die Eigenschaften der Bauabschnitte, insbesondere die Brandausbreitungsgeschwindigkeit und die Belüftungsverhältnisse. In die Naturbrand-Berechnungsmethode geht zudem für die festgelegten Brandszenarien eine statistische Gewichtung der Brandlast ein (die Gewichtung beruht auf einer Analogie zu den Leistungsstufen, die für die anderen Prüfungen eines Tragwerks erforderlich sind). 1' MJ/m² Temperatur [ C ] Température ( C) [ C] MJ/m² 300 MJ/m² 700 MJ/m² 500 MJ/m² Durée Durée de de l incendie l'incendie [minutes] (minutes) Branddauer [Minuten] Abbildung 4: Naturbrand: Darstellung der thermischen Einwirkung für unterschiedliche Brandlastbereiche (die Temperaturangaben dienen der Illustration) Ferner sind die Leistungskriterien in Abhängigkeit von der Art des Tragwerks zu unterscheiden (siehe auch Kapitel 7.5): die sogenannte Primärkonstruktion muss so bemessen sein, dass keine Gefahr hinsichtlich Sprödbruchversagen besteht (plötzlich auftretendes, gefährliches Versagen) und kein kaskadierendes Versagen von wesentlichen Bauteilen herbeigeführt wird die sogenannte Sekundärkonstruktion kann so bemessen sein, dass grössere Verformungen möglich sind (zum Beispiel Verbunddecke). 5. Brandszenarien 5.1. Allgemeines Im Brandfall gilt die Einsturzgefahr von tragenden Bauteilen gewöhnlich nur dann als gegeben, wenn das Feuer sich in einem Umfang entwickelt, dass man von einem schweren Brand sprechen kann. Brandszenarien, die zur Bemessung von Entrauchungsanlagen dienen und denen die Entwicklungsphase des Brandes (vor dem Flashover) zugrunde gelegt wurde, stellen eigentlich kein signifikantes Versagensrisiko für Tragwerke dar. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 9/27

10 Température Temperatur [ C] [ C ] 800 feu pleinement Vollbrand développé 400 Flashover flash-over abklingender décroissance Brand Brandausbreitung croissance Entzündung ignition extinction Erlöschen Temps Zeit Abbildung 5: Darstellung der verschiedenen Phasen eines Brandes Infolgedessen müssen Bemessungsbrandszenarien, die dazu dienen, das Verhalten von Tragwerken unter Brandeinwirkung einzuschätzen, die Bedingungen des Vollbrands (nach dem Flashover) mit einbeziehen. Hierzu kann man entweder die Normbrandkurven nutzen oder sich mit den Naturbrandkurven behelfen Normbrandszenarien Im Falle der Berechnung der Feuerwiderstandsdauer unter Normbrandbedingungen wird das zu berücksichtigende Brandszenario für die vorgeschriebene Dauer von der Einheitstemperaturzeitkurve bestimmt, die in der Norm ISO / SN EN [3,5] beschrieben ist. Es gibt keine zugehörige Brandleistungskurve. Der Verlauf der 3 wichtigsten standardisierten Temperaturkurven ist durch logarithmische oder exponentielle Funktionen der Branddauer definiert und in der folgenden Abbildung dargestellt. 1'400 1'200 Temperatur Température [ C [ C] ] 1' Hydrokarbonbrand Feu hydrocarbures Standardbrand Feu standard Aussenbrand Feu extérieur Durée Expositionsdauer d'exposition feu [Minuten] [minutes] Abbildung 6: Standardisierte Temperaturzeitkurven Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 10/27

11 5.3. Naturbrandszenarien Grundsätze Bei einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie unter Naturbrandbedingungen werden spezifische Brandszenarien in Abhängigkeit von der Nutzung des betrachteten Brandabschnitts und von der identifizierten Brandgefahr festgelegt. Hierbei sind die Haupteinflussfaktoren für die Brandentwicklung zu berücksichtigen. Bei allen Berechnungen wird das Brandszenario jeweils nur für einen Brandabschnitt des Gebäudes zugrunde gelegt. Den festgelegten Brandszenarien sind Brandleistungskurven zugeordnet, auf deren Grundlage die Temperaturkurven erstellt werden, welche für die thermomechanische Analyse genutzt werden. Die Brandleistungskurven und die zugehörigen Temperaturkurven werden gewöhnlich mit Hilfe von Zonenmodellen und/oder Feldmodellen (CFD-Modellen) erstellt. Auch bestimmte vereinfachte Brandsimulationsmodelle (z. B. lokale Brände) können aussagekräftige Informationen im Rahmen einer ingenieurmäßige Brandschutzstudie liefern. Bei der Anwendung von Rechenmodellen (Zonen-, Feld und vereinfachten Modellen) ist es Sache des Fachbüros, die Referenzen und/oder die verwendete Software (Name, Version, Datum, Hersteller) mitzuteilen und nachzuweisen, dass sich das Rechenmodell für das betrachtete Objekt eignet. In jedem Fall müssen die Ausgangshypothesen, die als Grundlage für die Parametrierung des verwendeten Modells dienen, mit ihren eventuellen Referenzen klar dargelegt werden. SCÉNARIO nutzungsbedingtes DE FEU BRANDSZENARIO lié à l affectation Définition Definition des der hypothèses Ausgangshypothesen paramètres und de -parameter et départ Wärmefreisetzungsrate débit calorifique [kw] [kw] 120' '000 80'000 60'000 40'000 20' Durée Branddauer de l'incendie [Minuten] [minutes] Etablissement Erstellung der Brandleistungskurve de la courbe puissance Temperatur Température [ C [ C] ] 1' Durée Branddauer de l'incendie [Minuten] [minutes] Etablissement Erstellung der zugehörigen de la courbe de température Temperaturkurve associée Abbildung 7: Prinzipien für die Festlegung von Brandszenarien unter Naturbrandbedingungen Brandleistungskurven (Wärmefreisetzungsrate) Entsprechend dem herkömmlichen Rechenansatz (siehe z. B. ISO/TR [9]) wird die Brandentwicklung in der Entstehungsphase durch eine quadratische Funktion dargestellt: Die Brandleistung ist proportional zum Quadrat der nach der Zündung des Brands vergangenen Zeit (αt²). Die Berechnung der Brandentwicklung muss insbesondere die vorhandene Brandlast, die spezifische Brandleistung (Brandleistung pro m² Fläche), die Ventilationsverhältnisse und die Bedingungen beim Vollbrand berücksichtigen. Der maximal erreichte Wärmefreisetzungswert entspricht einem stationären Zustand, der durch brandlast- oder ventilationsgesteuerte Bedingungen bestimmt wird. Wenn kein anderer Nachweis vorgelegt wird, sind für die Brandentwicklungsgeschwindigkeit und die flächenspezifische Wärmefreisetzungsrate (spezifische Brandleistung) die in der Norm SN EN [4] genannten Werte zugrunde zu legen: Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 11/27

12 Nutzung Brandausbreitungsgeschwindigkeit Koeffizient [kw/s²] α Dauer 1.00 MW Wohnraum Mittel min 250 Bibliothek Schnell min 500 Büro Mittel min 250 Schule, Unterricht Mittel min 250 Einkaufszentrum Schnell min 250 Theater, Kino Schnell min 500 Hotel (Zimmer) Mittel min 250 Tabelle 1: Brandentwicklungsgeschwindigkeit und flächenspezifische Wärmefreisetzungsrate für verschiedene Nutzungsarten (Quelle: SN EN [4]) bis Spezifische Brandleistung [kw/m²] Für Nutzungsarten, die in der obigen Tabelle nicht berücksichtigt sind (z. B. Industrie, Gewerbe) sind geeignete Werte vom zuständigen Planungsbüro, ggf. mit entsprechenden Referenzen vorzuschlagen. Öffnungen und Ventilationsverhältnisse Die Anordnung und Position der Öffnungen in den Wänden, Fussböden und Dachelementen ist anzugeben (z. B. durch Schemata, Zeichnungsausschnitte). Zu berücksichtigen sind sowohl konstruktive Elemente wie Verglasungen, Türen, Öffnungen, Rauchabzüge usw. wie auch der Einfluss der vorhandenen technischen Einrichtungen (bspw. gesteuerte Brandschutztüren, Entrauchungsanlagen). Das eventuelle Versagen von konstruktiven Elementen (z. B. Verglasungen) und diesbezügliche Annahmen müssen genau beschrieben werden. Auf alle Fälle müssen konservative Annahmen in die Berechnungen mit eingehen. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass Annahmen in Bezug auf die Ventilationsverhältnisse einer grossen Unsicherheit unterworfen sein können und zugleich ausschlaggebend für das Endergebnis sind. Eine Evaluierung verschiedener Annahmen zu den Ventilationsverhältnissen (Parameterstudie) wird folglich dringend angeraten und kann von der Brandschutzbehörde gefordert werden. Entwicklung zum Vollbrand Wenn die notwendigen Bedingungen für den plötzlichen Übergang zum Vollbrand vorhanden sind (Flashover-Bedingungen), muss das Brandszenario entsprechend angepasst werden: Je nach den Belüftungsverhältnissen kann dann die gesamte Oberfläche der brennbaren Materialien des Brandabschnitts am Brand beteiligt sein. Technische Einrichtungen Brandszenarien müssen der potentiellen Wirkung von Einrichtungen Rechnung tragen, die von einer Brandmeldeanlage angesteuert werden (Rauchabzüge, Türen usw.), besonders im Hinblick auf die Belüftungsverhältnisse. Sprinkleranlagen können für die Bestimmung von Naturbrandszenarien nur dann berücksichtigt werden, wenn gemäss der Brandschutzrichtlinie VKF Tragwerke (2003) eine Verringerung der Feuerwiderstandsdauer durch vorhandene Sprinkler möglich ist (siehe Kapitel 5.2 der genannten Richtlinie). Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 12/27

13 Diese (eventuelle) Berücksichtigung darf nicht durch die Stabilisierung oder Abnahme der Brandleistung dargestellt werden, sondern es muss eine statistische Gewichtung der Brandlast erfolgen, die der Betriebssicherheit der Sprinkleranlagen Rechnung trägt. Brandbelastung Per Definition entspricht die Gesamtbrandbelastung (q total ) der Wärmeleistung sämtlicher brennbarer Materialien eines Brandabschnitts bezogen auf seine Grundfläche. Sie ist die Summe aus mobiler und immobiler Brandbelastung und wird in MJ/m 2 ausgedrückt. Den Werten für die mobile Brandlast sind die vorgeschlagenen Brandlasten der Brandschutzerläuterung VKF [8] zugrunde zu legen. Wenn ein Gesuchsteller (Bauherr, Planer usw.) von diesen Werten abweichen möchte, muss er eine plausible, von der Nutzerschaft validierte Begründung vorlegen (die Beweislast liegt beim Gesuchsteller). Für Nutzungsarten, die in der Brandschutzerläuterung nicht berücksichtigt sind, ist es Sache des Gesuchstellers, einen geeigneten Wert für die Brandbelastung vorzuschlagen und seine Wahl zu begründen. Die immobile Brandlast ist in Abhängigkeit von den vorhandenen brennbaren Materialien und/oder Bauteilen wie Balken, Wände, Decken, Fussböden, Verkleidungen, Gestaltungen usw. zu ermitteln. Gewichtungsfaktoren Berechnungsbrandlast Für festgelegte Brandszenarien ist entsprechend dem Naturbrandmodell eine statistische Gewichtung der Brandlast möglich. Diese Gewichtung erfolgt durch den Faktor γ, mit dem die Gesamtbrandbelastung multipliziert wird. Das Ergebnis ist die Berechnungsbrandlast q d (die zur Bemessung verwendet wird): q d = q total m γ m: Verbrennungsfaktor. Ohne anderen Nachweis ist m gleich 0.8 (vgl. SN EN [4]). Die Gewichtungsfaktoren leiten sich ab aus einem statistischen Ansatz im Zusammenhang mit der Wahrscheinlichkeit eines akzeptablen Versagens (zulässiges Risiko) und der Wahrscheinlichkeit eines schweren Brandes, der die Konstruktion potentiell gefährden kann. Je höher der Gewichtungsfaktor ist, umso geringer ist die Einsturzwahrscheinlichkeit. Es ist anzumerken, dass eine strenge Anwendung des Anhangs E der Norm SN EN [4] in Hinblick auf den gesetzlichen Rahmen und das aktuelle Brandrisikomanagement in der Schweiz ausgeschlossen ist. In Analogie zu den VKF-Vorschriften berücksichtigen die Gewichtungsfaktoren die Nutzung der Brandabschnitte, ihre Fläche, die Anzahl der Geschosse, die Brandbelastung und die Sprinkleranlage, sofern vorhanden. Andere Parameter sind nicht zulässig. Wenn kein anderer Nachweis vorgelegt wird, sind für nicht brennbare Konstruktionen folgende Gewichtungsfaktoren zur Ermittlung der Bemessungsbrandlast zu beachten: Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 13/27

14 Gewichtungsfaktoren γ für eine nicht brennbare Konstruktion: Anzahl der Geschosse über Terrain Nutzung 2 bis 1'200 m² 2 mehr als 1'200 m² ohne Hochhäuser Wohngebäude Verwaltungsgebäude Schulgebäude Industrie-/Gewerbegebäude, q 1'000 MJ/m² Industrie-/Gewerbegebäude, q > 1'000 MJ/m² Gebäude mit unbekannter Nutzung Beherbergungsbetriebe [a] bspw. Krankenhäuser Beherbergungsbetriebe [b] bspw. Krankenhäuser Gebäude mit grosser Personenbelegung Kaufhäuser Legende: Gewichtung ohne Sprinkler Gewichtung mit Sprinkler 1.25 Gewichtungsfaktor mit oder ohne Sprinkler Ohne R -Anforderungen Kein verringertes Anforderungsniveau mit Sprinkler Ohne R -Anforderungen mit Sprinkler

15 Die Verwendung anderer Gewichtungssysteme unterliegt der Genehmigung der zuständigen Behörde und ist durch den Gesuchsteller in schriftlicher Form plausibel zu begründen. Die Übereinstimmung mit dem aktuellen Brandrisikomanagement in der Schweiz sowie mit den Hierarchien und den Einflussfaktoren (Geschosse, Nutzung, Fläche, Sprinkler) wie in den Brandschutzvorschriften (VKF, 2003) definiert muss gewährleistet sein. Zur Information ist nachstehend der Einfluss verschiedener Parameter auf die Brandleistungskurven graphisch im Detail dargestellt. Alle in den Diagrammen genannten Werte dienen lediglich der Orientierung Wärmefreisetzungsrate débit calorifique [MW] [MW] Développement schnelle Entwicklung rapide durchschnittliche Développement Entwicklung moyen 20 Développement langsame Entwicklung lent Durée Branddauer de l'incendie [Minuten] [minutes] Abbildung 8: Brandleistungskurve: Darstellung des Einflusses von Koeffizient α Wärmefreisetzungsrate débit calorifique [MW] Durée Branddauer de l'incendie [Minuten] [minutes] Abbildung 9: Brandleistungskurve: Darstellung des Einflusses der Ventilation / des brennbaren Materials als limitierende Faktoren. Die Fläche (freiwerdende Gesamtenergie) unter den drei Kurven ist dieselbe.

16 Wärmefreisetzungsrate débit calorifique [MW] [MW] Durée Branddauer de l'incendie [Minuten] [minutes] Abbildung 10: Brandleistungskurve: Darstellung des Einflusses der Brandlast Wärmefreisetzungsrate Débit calorifique [MW] [MW] Conditions d embrasement Vollbrandbedingungen généralisé Durée Branddauer de l'incendie [Minuten] [minutes] Abbildung 11: Brandleistungskurve: Darstellung des plötzlichen Übergangs zu einem voll entwickelten Brand. Die Fläche (freiwerdende Gesamtenergie) unter den zwei Kurven ist dieselbe Lokale Brände und Vollbrände Das Gesamtverhalten eines Tragwerks unter Brandeinwirkung beruht auf dem Temperaturfeld im Bereich des betrachteten Tragwerks. Diese thermische Wirkung auf die Gesamtheit des Tragwerks kann anhand von Durchschnittswerten bestimmt werden, die der Temperatur in der Heissgasschicht entsprechen. Allerdings können die Temperaturen, die in direkter Nähe der Flammen erreicht werden, deutlich höher sein als im restlichen Brandabschnitt. Daher muss die Standsicherheit der kritischen Bauteile (Primärbauteile, Tragpfeiler, Betonschalen usw.) auf Grundlage einer lokalen Temperaturberechnung punktuell überprüft werden. Hierfür gibt es verschiedene vereinfachte digitale Modelle (bspw. die Hasemi-Methode, vgl. SN EN [4]). Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 16/27

17 [ C] Heissgastemperatur Heissgastemperatur Température maximale lokale locale Temperatur maximale Abbildung 12: Lokalisierte Betrachtung der Primärbauteile 6. Weitere Annahmen 6.1. Brandabschnittsbildung Die konzeptionelle Darstellung des Gebäudes oder eines Brandabschnitts in Form von vereinfachten Volumen/Flächen, einschliesslich der gewählten Annahmen für diese Darstellung, ist zu erläutern. Die Brandabschnitte müssen genau angegeben werden (bspw. anhand von Zeichnungen, in denen die geplante oder vorhandene Brandabschnittsbildung dargestellt ist). Es ist mitzuteilen, welcher Art die von der ingenieurmäßige Brandschutzstudie betroffenen Bauteile sind (Typ, Beschaffenheit, Abmessungen, Materialien ), und welche Annahmen in Bezug auf die thermischen Eigenschaften der Umfassung gemacht wurden. Bei einer Renovierung müssen die Annahmen bezüglich der vorhandenen Bauteile klar formuliert werden. Wenn kein anderer Nachweis vorgelegt wird, müssen die von der Planung betroffenen Brandabschnitte mit der Brandabschnittsbildung des Gebäudes übereinstimmen Nutzung Die geplante Nutzung des Bauwerks bzw. der Anlage ist anzugeben und muss von der Nutzerschaft genehmigt worden sein. Von Anfang an sind mögliche vorhersehbare oder wahrscheinliche Änderungen am Objekt in die ingenieurmäßige Brandschutzstudie miteinzubeziehen. Es kann sinnvoll sein, die maximale Brandbelastung (die höher ist als die den Berechnungen zugrunde gelegte Brandbelastung) zu ermitteln, für die die Ergebnisse der ingenieurmäßige Brandschutzstudie ebenfalls gültig sein müssen. Sollten einige Bauteile zum Konzeptzeitpunkt noch nicht festgelegt sein, müssen die zugrunde gelegten Annahmen dem konservativsten Fall entsprechen. 7. Thermische und mechanische Analysen 7.1. Berechnung der thermischen Einflüsse Der Wärmeübergang auf die Tragwerke wird anhand der thermischen Einwirkung berechnet. Das Brandverhalten eines Tragwerks wird ausgehend von dem Temperaturfeld im Tragwerk und seiner kombinierten Belastung im Brandfall analysiert. In beiden Fällen können Modelle mit abgestufter Komplexität verwendet werden. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 17/27

18 Gemäss den nachfolgend beschriebenen Modellen ist abzuschätzen, ob die untersuchte thermische Einwirkung unter den formulierten Annahmen zum Einsturz (Versagen) des Tragwerks führen kann: Für eine bauteilspezifische Analyse können vereinfachte Modelle angewendet werden. In der Regel basieren diese Modelle auf dem Begriff der kritischen Temperatur. Wenn die Erwärmungstemperatur unter der kritischen Temperatur liegt, bleibt die Standsicherheit gewahrt; wenn die Erwärmungstemperatur hingegen über der kritischen Temperatur liegt, ist ein Versagen möglich. Es handelt sich also um ein einfaches Kriterium ( richtig oder falsch ) für die Tragfähigkeit. Das Schutzziel ist erreicht, wenn die Zeit bis zum Versagen über der notwendigen Expositionsdauer unter Naturbrandbedingungen liegt. Es können aber auch ausgefeiltere Modelle verwendet werden, die beispielsweise auf Berechnungen mit finiten Elementen basieren. Die Modellergebnisse werden im Allgemeinen als Verformung während der gesamten Branddauer ausgedrückt. In bestimmten Fällen kann das Leistungskriterium (welches dazu dient zu messen, inwiefern die Schutzziele erreicht wurden) als Verformung angegeben werden. Thermischer Actions thermique und mechanischer et mécanique Einfluss Wärmeübergang Transfert thermique Effondrement Möglicher Einsturz éventuel Comportement Mechanisches Verhalten mécanique Abbildung 13: Darstellung der allgemeinen Vorgehensweise für thermomechanische Analysen [6] 7.2. Wärmeausbreitung in den Tragwerken Allgemeine Grundsätze Für die Berechnungen zum Temperaturanstieg in Tragwerken sind die klassischen Grundsätze der Thermodynamik heranzuziehen. Zu nennen ist hier der Wärmeübergang durch Konvektion (Newtonsches Gesetz) und durch Wärmestrahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz). Für die Werte der Konstanten oder Variablen in den Formeln sind die Werte der SIA- Normen, bei Bedarf auch der SN-EN-Normen, zugrunde zu legen. Bei Verwendung anderer Werte wird ein Nachweis gefordert. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 18/27

19 Erwärmung von Querschnitten Für die Berechnung von einfachen Querschnitten (Rechteckquerschnitten oder Metallprofilen zum Beispiel) oder von linearen Stabelementen (Balken, Säulen) sind die verfügbaren Formeln heranzuziehen (siehe z. B. [1]). Für andere Schnittebenen ist es notwendig, sich der Berechnung mit finiten Elementen zu bedienen. Es ist im Bericht genau anzugeben, welche Annahmen für die Berechnungen zugrunde gelegt wurden Erwärmung von Platten und Membranen Für die Bemessung von Platten und Decken ist auf die Berechnung mit finiten Elementen zurückzugreifen. Die Annahmen für die Berechnungen sind im Bericht genau anzugeben Erwärmung von geschützten Bauteilen Bei geschützten Bauteilen müssen die für die Dämmmaterialien verwendeten physikalischen Parameter dokumentiert sein Berechnung der Tragwerke Grundsätze Für die Beurteilung des mechanischen Verhaltens von Stahl- bzw. Stahlbetonkonstruktionen im Brandfall sind die Bemessungsregeln der SIA-Normen und Eurocodes zu verwenden. Zu berücksichtigen sind hier insbesondere: die mechanische Belastung eines Tragwerks im Brandfall; die Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen: Spannungs-Dehnungs- Beziehung, Steifigkeitsmodul, Wärmewiderstand und thermische Dehnung; die verschiedenen Analysemöglichkeiten und ihre Anwendungsbereiche im Zusammenhang nicht nur mit vereinfachten Bemessungsregeln, sondern auch mit fortgeschrittenen Berechnungstools; die spezifischen Details, wie die besondere konstruktive Durchbildung, die Verbindung der einzelnen Bauteile usw., die nicht direkt von den Regeln zur Bemessung der Feuerwiderstandsdauer erfasst werden, deren Berücksichtigung aber wesentlich ist, um ein ausreichendes Brandschutzniveau sicherzustellen Lastfälle Die betrachteten Tragwerke sind gemäss SIA 260, Art [7] entsprechend einer zufälligen Belastungssituation zu überprüfen. Die Verringerung der Belastung durch die Koeffizienten ψ2 muss so festgelegt werden, dass die zukünftige Nutzung (ebenso wie die Wahl der Brandlast) nicht auf der Basis einer fixierten, unflexiblen Situation berücksichtigt wird Materialeigenschaften Für die Tragwerksbemessung ist die temperaturbedingte Veränderung der physikalischen Materialeigenschaften (z. B. Stahl, Beton) zu berücksichtigen: Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 19/27

20 1.0 Facteur Reduzierfaktor de réduction Facteur Reduzierfaktor de réduction 0.9 limite Streckgrenze d'élasticité (warmgezogen) (étiré à chaud) 0.8 limite Streckgrenze d'élasticité (kaltgezogen) (étiré à froid) Elastizitätsmodul module d'élasticité (warmgezogen) (étiré à chaud) 0.7 Elastizitätsmodul module d'élasticité (kaltgezogen) (étiré à froid) 0.6 k E,θ = E s,θ / E s 0.5 k s,θ = f s,θ / f s '000 1'200 température Stahltemperatur de l'acier [ C [ C] ] Abbildung 14: Temperaturabhängige Beständigkeit von Spannstahl [11] Streckgrenze limite d'élasticité Elastizitätsmodul module d'élasticité 0.7 k E,θ = E a,θ / E a 0.6 k y,θ = f y,θ / f y '000 1'200 température Stahltemperatur de l'acier [ C [ C] ] Abbildung 15: Temperaturabhängige Beständigkeit von Baustahl [12] limite Streckgrenze d'élasticité (quarzhaltige (granulats Zuschläge) siliceux) Facteur Reduzierfaktor de réduction k c,θ = f c,θ / f ck limite Elastizitätsmodul d'élasticité (kalkhaltige (granulats Zuschläge) calcaires) '000 1'200 température Betontemperatur de l'acier [ C [ C] ] Abbildung 16: Temperaturabhängige Beständigkeit von Beton [11] Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 20/27

21 7.4. Rechenmodelle Zur Bemessung des mechanischen Verhaltens von Tragwerken im Brandfall können die folgenden drei Ansätze gewählt werden: Analyse eines Bauteils: Jedes Bauteil des Tragwerks wird losgelöst von den anderen Bauteilen betrachtet. Die Verbindung zu anderen Bauteilen wird durch geeignete Randbedingungen ersetzt. Analyse von Teilen des Tragwerks: Ein Teil des Tragwerks wird unmittelbar betrachtet; geeignete Randbedingungen werden berücksichtigt, um die Verbindung zum übrigen Tragwerk abzubilden. Analyse des gesamten Tragwerks: Bei der Bemessung wird das Tragwerk im Ganzen betrachtet. Gesamtanalyse der Tragwerke Analyse von Teilen des Tragwerks Analyse eines Bauteils (hauptsächlich für Anforderungen unter Normbrandbedingungen) Abbildung 17: Verschiedene Ansätze für die Bemessung des mechanischen Verhaltens von Tragwerken unter Brandeinwirkung [6] Parallel zu den drei oben genannten Bemessungsansätzen können drei verschiedene Berechnungsverfahren eingesetzt werden, um das mechanische Verhalten der Tragwerke im Brandfall zu untersuchen: 1. Diagramme und tabellarische Daten: Diese Verfahren basieren auf den Ergebnissen von Normbrandversuchen. Sie sind anwendbar auf Betontragwerke oder auf Verbundtragwerke aus Stahl und Beton. 2. Vereinfachte Berechnungsverfahren: Dieses Rechenmodell kann man in zwei verschiedene Typen unterteilen: a. das Verfahren der kritischen Temperatur, das für Stahltragwerke häufig angewendet wird b. vereinfachte Berechnungsverfahren für die Analyse jeweils einen Bauteils bei Tragwerken aus Beton oder Verbundtragwerken. 3. Allgemeine Berechnungsverfahren: Dieses Rechenmodell kann im Prinzip auf jeden Tragwerkstyp angewendet werden. Es basiert auf den physikalischen Grundgesetzen und soll die Berechnung der Temperaturentwicklung und -verteilung im Inneren von Tragwerken sowie die Berechnung des mechanischen Verhaltens des Tragwerks oder von Tragwerkteilen ermöglichen. Bei Verwendung von Naturbrandszenarien sind nur die zwei letzten Berechnungsverfahren anwendbar, da die tabellarischen Daten aus Laborversuchen unter Normbrandbedingungen gewonnen wurden. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 21/27

22 Die Wahl des Berechnungsverfahrens muss an sich an den jeweiligen Analysetyp anlehnen: beispielsweise kann eine Analyse des Gesamttragwerks unter Norm- oder Naturbrandbedingungen nur mit Hilfe des allgemeinen Berechnungsverfahrens durchgeführt werden. Die beiden nachfolgenden Tabellen, die auf der Norm SN EN [4] basieren, geben eine gute Übersicht über die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der drei Berechnungsverfahren bei Normbrand- bzw. Naturbrandbedingungen: Analysetyp Berechnungsverfahren Analyse eines Bauteils Analyse von Teilen des Tragwerks Analyse des Gesamttragwerks Tabellarische Daten Vereinfachtes Berechnungsverfahren Allgemeines Berechnungsverfahren Anwendbar Anwendbar Anwendbar Nicht anwendbar Anwendbar (wenn verfügbar) Anwendbar Nicht anwendbar Nicht anwendbar Anwendbar Tabelle 2: Anwendungsbereich der verschiedenen Berechnungsverfahren bei einem Normbrand Analysetyp Berechnungsverfahren Analyse eines Bauteils Analyse von Teilen des Tragwerks Analyse des Gesamttragwerks Tabellarische Daten Nicht anwendbar Vereinfachtes Berechnungsverfahren Anwendbar (wenn verfügbar) Allgemeines Berechnungsverfahren Anwendbar Nicht anwendbar Nicht anwendbar Anwendbar Nicht anwendbar Nicht anwendbar Anwendbar Tabelle 3: Anwendungsbereich der verschiedenen Berechnungsverfahren bei einem natürlichen Brand Hierzu ist Folgendes anzumerken: Die tabellarischen Daten dienen nur für eine Analyse einzelner Bauteile unter Normbrandbedingungen. Unter Normbrandbedingungen können die vereinfachten Berechnungsverfahren für die bauteilbezogene Analyse verwendet werden und in begrenzten Fällen auf Teile des Tragwerks (z.. bei einfachen Stahlrahmen). Unter Naturbrandbedingungen sind die vereinfachen Berechnungsverfahren sehr eingeschränkt anwendbar, da der Erwärmungsverlauf der Bauteile ein ganz anderer ist als unter Normbrandbedingungen. Die allgemeinen Berechnungsverfahren sind für jeden Analysetyp geeignet, ebenso unter Normbrand- wie unter Naturbrandbedingungen Robustheitskriterien Die Robustheit eines Tragwerks kann als seine Fähigkeit definiert werden, eine abnehmende Festigkeit eines oder mehrerer Bauteile zu verkraften, ohne dass dadurch die Gesamtstandfestigkeit des Gebäudes wesentlich beeinträchtigt wird. Bei einem globalen Ansatz muss die Gesamtheit der Interaktionen zwischen Tragwerken und ihren Untereinheiten betrachtet werden. Hierbei zeigt sich, dass bestimmte Bauteile für die globale Stabilität des Gesamtgebäudes notwendig und unverzichtbar sind, während andere zweitrangig sind. Demnach können zwei Klassen von tragenden Bauteilen unterschieden werden: Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 22/27

23 primäre Bauteile: Säulen, Mauern und tragende Wände, primäre Deckenträger, die auf keinen Fall versagen können. Der Verlust der Festigkeit und Verformungen, die durch einen Brand bedingt sind, dürfen keinesfalls zu ihrem Versagen führen. Dies bedeutet beispielsweise, dass das mechanische Verhalten von Säulen einen lokalen Temperaturanstieg berücksichtigen muss (Stichwort lokaler Brand ). sekundäre Bauteile: sekundäre Deckenträger, Decken mit Unterzügen, die selbst, wenn sie stark verformt werden, nicht die globale Stabilität des Bauwerks in Frage stellen. Bei Stahlbetonverbunddecken kann der Membraneffekt genutzt werden. 8. Erforderliche Unterlagen Eine ingenieurmäßige Brandschutzstudie zum Verhalten von Tragwerken unter Brandeinwirkung ist durch einen Bericht zu dokumentieren, der mindestens die folgenden wichtigsten Punkte enthält: spezifische Brandschutzziele Brandszenarien Bauweise Berechnungsverfahren thermische und mechanische Analysen Ergebnisse Diese Punkte sind nachfolgend unter 8.1 bis 8.6 beschrieben Spezifische Brandschutzziele In der Einleitung des Berichts sind die Schutzziele zu nennen, die mit der Brandschutzbehörde für die betrachteten Brandschutzabschnitte vereinbart wurden. Die Tragwerke, die Leistungskriterien und zugehörigen Grenzwerte müssen genau definiert sein Brandszenarien Die berücksichtigten Brandszenarien und die zugehörigen Temperaturkurven müssen klar dargelegt werden (z. B. anhand von Tabellen oder Graphiken). Die einzelnen Parameter und die wichtigsten Annahmen sind zu erläutern Bauweise Es sind genaue Angaben zur Brandabschnittsbildung in den betroffenen Räumen und zur geplanten Bauweise zu machen. Die einzelnen untersuchten statischen Systeme sind zu erläutern Berechnungsverfahren Die angewandten Berechnungsverfahren sind zu nennen, ebenso die Normen und Schriften, auf die Bezug genommen wird. Eventuelle Gewichtungsfaktoren sind anzugeben. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 23/27

24 8.5. Thermische und mechanische Analysen Die Ergebnisse der thermischen und mechanischen Analysen sind mit Kommentaren in übersichtlicher Form zusammenfassend darzustellen. Die Berechnungen im Einzelnen können im Anhang dargelegt werden Ergebnisse Die Ergebnisse zur Feuerwiderstandsdauer der Tragwerke müssen klar dargelegt werden, ebenso die geplanten Massnahmen sowie ein eventueller Sanierungsbedarf oder besondere Empfehlungen. 9. Projektdurchführung und -überwachung, besondere Vorbehalte Die Erstellung einer Nutzungsvereinbarung (vgl. SIA-Norm 260 [7]) auf der Grundlage einer Abstimmung zwischen dem Bauherrn und den Planern wird dringend empfohlen. Mit diesem Dokument können insbesondere der allgemeine Verwendungszweck des Bauwerks, der Kontext und die Anforderungen von Dritten, die Erfordernisse des Betriebs und der Unterhaltung, die besonderen Zielsetzungen des Bauherrn, die Schutzziele, Sonderrisiken und Normbestimmungen schriftlich festgehalten werden. Die Nutzungsvereinbarung ist in der Vorprojektphase zu erstellen und beim Bauentwurf zu bestätigen. Sollte diese Vereinbarung (oder ein analoges Dokument) nicht aufgesetzt werden, ist es Aufgabe des Planers, ggf. die Nutzerschaft über die aktuellen oder zukünftigen Leistungseinschränkungen seines Gebäudes im Hinblick auf den Brandschutz zu informieren und gemeinsam mit ihr Vorgaben festzulegen, die ihre Erfordernisse erfüllen. Die Anwendung der allgemeinen Berechnungsverfahren ist dem ordnungsgemäss geschulten Fachpersonal vorbehalten. Die Brandschutzbehörde behält sich das Recht vor, notwendige Nachweise zu fordern und externe Gutachten einzuholen. Sollte es Modifikationen bei der Bauausführung geben oder Änderungen im Betrieb, bei der Nutzung oder in Bezug auf die Menge der brennbaren Materialien oder sollten die Renovierungs- bzw. Umgestaltungsarbeiten als erhebliche Veränderung eingestuft werden, so muss die Erfüllung der Schutzziele neu geprüft und die Dokumentation dementsprechend auf neuesten Stand gebracht werden. Dabei kann sich eine Sanierung als notwendig erweisen. Auch nach der Projektdurchführung wird der Ingenieurmäßige Brandschutzstudiesprozess durch regelmässige Überprüfungen und kontinuierliche Brandschutzmanagementverfahren fortgeführt. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 24/27

25 Anhang A: Bibliographie [1] Steeldoc 02/06, Brandschutz im Stahlbau, Stahlbau Zentrum Schweiz (SZS), 2006 [2] ISO 23932, Ingenieurmethoden für die Brandsicherheit Allgemeine Grundlagen, 2009 [3] ISO 834-1, Feuerwiderstandsprüfungen Bauteile Teil 1: Allgemeine Anforderungen, 1999 [4] SN EN , Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen Brandeinwirkungen auf Tragwerke, 2002 [5] SN EN , Feuerwiderstandsprüfungen Teil 1: Allgemeine Anforderungen, 1999 [6] Projekt DiFiSek, Dissemination of Fire Safety Engineering Knowledge (Verbreitung von Wissen über das Brandschutzingenieurwesen), Europäische Kommission [7] SIA 260, Grundlagen der Projektierung von Tragwerken, 2003 [8] Brandschutzerläuterung VKF , Bewertung Brandabschnittsgrössen, Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, 2007 [9] ISO/TR , Ingenieurmethoden für die Brandsicherheit Teil 2: Brandszenarien und -einwirkungen, 1999 [10] Lignum, Bauen mit Holz Qualitätssicherung und Brandschutz, 2005 [11] SN EN , Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken Teil 1-2: Allgemeine Regeln Tragwerksbemessung für den Brandfall, 2004 [12] SN EN , Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1-2: Allgemeine Regeln Tragwerksbemessung für den Brandfall, 2005 Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 25/27

26 Anhang B: Definitionen Analyse eines Bauteils (im Brandfall): Thermische und mechanische Analyse eines Bauteils unter Brandbeanspruchung, in der das Bauteil einzeln mit entsprechenden Auflagerund Randbedingungen betrachtet wird. Indirekte Brandeinwirkungen werden nicht betrachtet, ausser sie haben ihre Ursache in Temperaturgradienten. Analyse eines Tragwerks oder eines Tragwerkteils (im Brandfall): Thermische und mechanische Analyse eines Gebäudes, dessen Tragwerke oder Tragwerkteile unter Brandeinwirkung stehen. Es werden die indirekten Brandeinwirkungen (Auswirkungen der Dehnung oder teilweises Versagen bestimmter Bauteile) berücksichtigt, um die Teil- oder Gesamtstabilität des betroffenen Gebäudes zu überprüfen. Thermische Analyse: Verfahren zur Bestimmung der Temperaturentwicklung in den Bauteilen auf Basis der thermischen Einwirkung (Nettowärmestrom) und der thermischen Eigenschaften der Materialien, aus denen diese Bauteile bestehen, sowie eventuell der Schutzflächen. Mechanische Analyse: mechanisches Verhalten des Tragwerks im Brandfall unter Einwirkung der zu berücksichtigenden Einflüsse und Einflusskombinationen. Normbrandkurve: genormte Kurve [3,5], die auch als ISO-Normbrandkurve bezeichnet wird und die zeitabhängige Entwicklung der Temperatur beschreibt. Sie dient dazu, die Leistung von Bauteilen unter Vollbrand zu berechnen. Anhand dieser Kurve kann die thermische Einwirkung vereinfacht dargestellt werden. Brandleistungskurve: Sie beschreibt die zeitabhängige Entwicklung der Wärmefreisetzungsrate entsprechend einem festgelegten Brandszenario. Häufig wird die Bezeichnung HRR für englisch: Heat Release Rate verwendet. Lasttragende Funktion (R): Fähigkeit eines Tragwerks oder eines Bauteils, bestimmten Einwirkungen entsprechend vorgegebenen Kriterien während des Brandes standzuhalten. Naturbrand: Die Bezeichnungen Berechnung unter Naturbrandbedingungen, Berechnung unter Naturbrandeinwirkung, Berechnung nach Naturbrandmodellen und Berechnung nach einem natürlichen Brandverlauf haben die gleiche Bedeutung. Sie beziehen sich auf Berechnungen zu thermischen Einflüssen eines Gebäudebrands und berücksichtigen insbesondere die Brandlast, die Belüftungsverhältnisse, die Form und Grösse der Umfassung sowie ihre thermischen Eigenschaften. Feuerwiderstandsfähigkeit: Fähigkeit eines Tragwerks, eines Tragwerkteiles oder eines Bauteils, die geforderten Funktionen (Tragfähigkeit und/oder Raumabschluss) für eine bestimmte Brandbeanspruchung und für eine bestimmte Dauer zu erfüllen. Tragwerk: Gesamtheit der Bauteile und Verbindungen, die erforderlich sind, um die Lasten zu tragen und zu verteilen sowie um die Stabilität zu gewährleisten. Kritische Temperatur: Temperatur, bei der ein Bauteil unter Brandeinwirkung und durch äussere Beanspruchung seine Tragkraft vollständig verliert. Dies ist auch der Moment, wo die im Brandfall vorhandene Festigkeitsreserve bei reduzierter Last (im Vergleich zur normalen Situation) erschöpft ist. Kantonale Gebäudeversicherung (ECA) Waadt, Abteilung Prävention 26/27

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