Brandverhalten der Fuge bei Hauptund Nebentragwerken

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1 Brandverhalten der Fuge bei Hauptund Nebentragwerken Christoph Hackspiel Holzforschung Austria Wien, Österreich 1

2 Brandverhalten der Fuge bei Hauptund Nebentragwerken 1. Einleitung Die Bedeutung von Holz als nachwachsender, ökologischer und wirtschaftlicher Baustoff für den Einsatz in Wohn- und Gewerbebauten, öffentlichen Gebäuden sowie im Ingenieurbau nimmt weltweit zu. Zu den zahlreichen Vorteilen des Werkstoffs Holz zählen unter anderem seine visuellen und haptischen Eigenschaften, seine hohe Energieeffizienz, sein guter ökologischer Fußabdruck sowie kurze Errichtungszeiten durch ein hohes Maß an Vorfertigung. Ein effizienter Industrie- und mehrgeschossiger Holzbau bedarf daher auch effizienter Verbindungsmittel um den Baustoff Holz gegenüber Stahl- und Stahlbetontragwerken wettbewerbsfähig zu machen. Trotz der zahlreichen Vorteile gibt es durch Behörden sowie aufgrund von Normen zum Teil starke Einschränkungen was die Brandsicherheit von Holzkonstruktionen betrifft. Zweifellos stellt der Lastfall Brand neben den zu übertragenden statischen Lasten eine hohe Beanspruchung für den Werkstoff, aber auch für die verwendeten Verbindungsmittel dar. Für die Brandbemessung von Holzbauteilen wie Stützen, Wände und Decken existieren bereits heute zahlreiche nationale und internationale Normenwerke wie beispielsweise Eurocode EN [1]. Dabei werden unverkleidete oder verkleidete Bauteile durch die Berechnung von sogenannten Restquerschnitten bzw. reduzierten Tragfähigkeiten gegen die einwirkende Last bemessen. Der Holzabbrand wird dabei im Wesentlichen durch die Abbrandgeschwindigkeit definiert. Die modernen Holzverbindungsmittel aus Aluminium oder Stahl ermöglichen die Übertragung immer höherer Lasten bei, im Vergleich zu klassischen zimmermannsmäßigen Verbindungen, relativ geringen Bauteildimensionen. Viele dieser Verbinder werden bei klassischen Haupt- und Nebenträgeranschlüssen bzw. beim Anschluss eines Biegeträgers an eine Stütze verwendet. Obwohl diese Hochleistungsverbinder im Ingenieurholzbau immer häufiger eingesetzt werden, gibt es derzeit keine allgemeinen normativen Grundlagen oder Regelungen für die Brandbemessung derartiger Verbinder [2][3]. Bei den bestehenden Ausführungen und Systemen wird zum Schutz der Verbindungsmittel oft eine verdeckte Bauweise (siehe Abbildung 1a) ausgeführt bzw. die Verbindung wird mit einer Beplankung aus Plattenwerkstoffen versehen (siehe Abbildung 1b). a) Verdeckte Bauweise 2

3 b) Beplankung mit Plattenwerkstoffen Abbildung 1: Derzeitige Ausführungsvarianten für den Brandschutz von Holzverbindungsmitteln Bei der Ausführungsvariante der verdeckten Bauweise werden die Verbinderplatten in nutenförmigen Ausnehmungen in den Trägern eingelassen. Diese Bauweise ist allerdings baupraktisch nur schwer und in der Regel nur bedingt umsetzbar, da durch die am Bau vorherrschenden Toleranzen der Zusammenbau der Einzelbauteile erschwert wird [4][5]. Der nur theoretisch vorhandene fugenlose Anschluss zwischen dem Haupt- und dem Nebenträger (sogenannte Nullfuge) ist insbesondere bei hohen Trägern oft mit hohen Anforderungen an den Brandschutz verknüpft und aufgrund der dort vorherrschenden Toleranzen in der Praxis kaum bzw. gar nicht umsetzbar. Die Wirtschaftlichkeit derartiger Anschlüsse in verdeckter Bauweise ist daher reduziert. Eine weitere Möglichkeit den Brandschutz einer derartigen Verbindung sicherzustellen ist die Beplankung des Anschlussbereichs mittels Plattenwerkstoffen. Diese Variante ermöglicht zwar die Einhaltung etwaiger Bautoleranzen, ist aber durch die fehlende Möglichkeit der Vorfertigung im Werk mit sehr hohen Kosten verbunden, da die Montage der Platten auf der Baustelle einen sehr kostenintensiven Arbeitsschritt darstellt. Darüber hinaus ist diese Ausführungsvariante oft mit optischen Einschränkungen am ansonsten architektonisch ansprechenden Erscheinungsbild einer Ingenieurholzkonstruktion verbunden. Viele Aspekte das Verhalten dieser Hochleistungsverbindungsmittel unter Brandlast betreffend, wie beispielsweise der Abbrand im unmittelbaren Nahbereich des Anschlusses, der Einfluss der Verschraubung oder eben auch der Einfluss der Fugenausbildung zwischen den zu verbindenden Bauteilen sowie die Wirkungsweise (Effizienz) einer Brandschutzmaßnahme, sind derzeit nicht bzw. nur unzureichend untersucht und erforscht. Diese Parameter sind allerdings von wesentlicher Bedeutung bei der Bemessung von Holztragwerken im Brandfall. 2. Zielsetzung Im Rahmen eines derzeit an der Holzforschung Austria (HFA) in Zusammenarbeit mit der Firma SHERPA Connection Systems GmbH laufenden Forschungsprojektes soll der Einfluss der Fugenausbildung eines Haupt-Nebenträgeranschlusses im Brandlastfall untersucht werden. Ziel dabei ist es, wirtschaftliche Ausführungsvarianten für eine 30- bzw. 60-minütige Brandbelastung ohne den Einsatz von zusätzlichen Beplankungen zu entwickeln. Die Praxistauglichkeit unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist dabei von zentraler Bedeutung und steht im Fokus eines solchen Haupt-Nebenträgeranschlusses. Daher wurden in einem ersten Schritt jene Faktoren identifiziert, welche einen Einfluss auf die Tragfähigkeit der Verbindung unter Brand- und statischer Last haben. 3

4 Auf deren Basis wurden danach Anschlusskonstellationen zusammengestellt, die im Zuge von Kleinbrandversuchen am Institut für Brandschutztechnik und Sicherheitsforschung (IBS) in Linz untersucht wurden. Die im Rahmen dieser Versuche gewonnen Informationen und Erkenntnisse betreffend einer optimierten Fugenausbildung sollen in weiterer Folge in abschließenden Großbrandversuchen unter statischer Last umgesetzt und erprobt werden. 3. Projektumfang Zu Beginn des Forschungsprojektes wurden in einem ersten Schritt jene Parameter der Verbindung untersucht, welche einen Einfluss auf die Tragfähigkeit des Verbindungsmittels unter Brand- und statischer Last haben. Im Mittelpunkt dieser Überlegungen standen dabei zwei mögliche Ansätze für die Einhaltung des Brandschutzes bei Haupt- und Nebenträgeranschlüssen. Gemeint sind dabei die Optimierung der Fugengeometire ((B)reite, (H)öhe und (T)iefe; siehe Abbildung 2a) und/oder der Einsatz intumeszierender Stoffe (siehe Abbildung 2b). a) Brandschutzmaßnahme Fugenoptimierung (Verschattungseffekt) b) Brandschutzmaßnahme Intumeszierende Stoffe Abbildung 2: Im Rahmen des Forschungsprojektes zu untersuchende Brandschutzmaßnahmen Da der Einsatz intumeszierender Stoffe einen weiteren mitunter kostenintensiven Arbeitsschritt mit sich bringt, wurde im Rahmen des Projektes der Fokus zunächst primär auf die Identifikation der optimalen Fugengeometrie gelegt (Brandschutzmaßnahme Fugenoptimierung ). Erst wenn die gewünschte Brandwiderstandsdauer auch durch eine entsprechende Fugenausbildung sowie durch die Wahl von Randabständen nicht gewährleistet werden kann, sollten als Zusatzmaßnahme intumeszierende Stoffe zum Einsatz 4

5 kommen. Als Parameter welche einen Einfluss auf die Tragfähigkeit der Verbindung im Brandlastfall haben wurden folgende Punkte identifiziert: Größe des Verbindungsmittels (XS bis XXL 30x50 bis 140x610 mm) Übertragbare Anschlusskräfte (2 bis 300 kn) Holzdimension der anzuschließenden Querschnitte Minimal erforderliche Randabstände des Verbindungsmittels Fugenausbildung zwischen Haupt- und Nebenträger (Nullfuge bis Vollfuge) Einfluss des Holzabbrandes auf die Verschraubung bzw. Tragfähigkeit der Schrauben im Nahbereich des Abbrandes Einfluss einer möglichen zusätzlichen Brandschutzmaßnahme Auf eine einfache Dimensionierung der SHERPA-Verbinder für den Brandlastfall wird im Rahmen des Projektes dabei besonders Wert gelegt. Dazu soll der Brandwiderstand der Verbindung primär durch eine einfache Vergrößerung des Randabstandes bei 30- bzw. 60-minütiger Branddauer gewährleistet werden. Aus diesem Grund wurden für das Forschungsprojekt folgende zwei Abbrandaufschläge für den Holzquerschnitt festgelegt: für R30-Widerstand: allseitig +20 mm Querschnittsvergrößerung für R60-Widerstand: allseitig +40 mm Querschnittsvergrößerung Setzt man eine normgemäße Abbrandrate für Brettschichtholz von 0,7 mm/min gemäß ÖNORM EN bzw. ÖNORM B voraus, so liegen die beiden im Rahmen des Forschungsprojektes postulierten Abbrandtiefen unterhalb der lt. Eurocodenormen berechneten Werte. Ziel des Forschungsprojektes ist es daher durch eine entsprechende Fugengeometrie die Tragfähigkeit der SHERPA-Verbinder unter Brand- und statischer Last dennoch nachzuweisen. Hinsichtlich des Versagens der Verbindung kann von folgenden zwei prinzipiellen Versagensmechanismen ausgegangen werden: Verbinderversagen: Eine zu hohe Verbindertemperatur führt bei Aluminium zu einer signifikanten Reduktion der Festigkeit Schraubenversagen: Die Schrauben liegen zu nahe bzw. im Abbrandbereich und können daher die Kräfte nicht mehr in das Holz überleiten 4. Durchgeführte Versuche Bereits im Vorfeld zum aktuell laufenden Forschungsprojekt wurden vororientierende Klein- bzw. Großbrandversuche durch die Firma SHERPA Connection Systems GmbH durchgeführt. Im Mittelpunkt stand dabei die Ermittlung der Auswirkung eines intumeszierenden Fugenbandes auf die Brandwiderstandsdauer des Verbinders welcher ebenfalls in Haupt- und Nebenträgeranschlüssen getestet wurde. Die Erkenntnisse aus diesen Versuchen wurden in die Planungsphase des aktuellen Forschungsprojektes aufgenommen. Für die Verifikation der beiden oben genannten Versagensmechanismen (Verbinder- bzw. Schraubenversagen) wurden in einem ersten Schritt basierend auf den bereits identifizierten Einflussfaktoren repräsentative Verbindungsmittelkonstellationen zusammengestellt. Diese umfassen unterschiedliche Fugenausbildungen sowie verschiedene Verbindergrößen. Diese Konstellationen wurden im Rahmen von Kleinbrandversuchen am IBS in Linz einer 30- bzw. 60-minütigen Brandbeanspruchung ohne statische Last ausgesetzt. Eine Zusammenstellung der getesteten Verbindervarianten ist in Tabelle 1 ersichtlich: 5

6 Tabelle 1: Übersicht der im ersten Arbeitsschritt untersuchten Verbindungsmittelkonstellationen Branddauer [min] Verbinder Fugengeometrie B/H/T [mm] Fugenausbildung Querschnitt des Anschlussholzes [mm] Mindestquerschnitt [mm] Zuschlag für Brandbeanspruchung je Seite [mm] M40 14/30/35 aufgeschraubt 120 x x M40 5/30/35 tw. eingefräßt 120 x x M40 3/30/35 tw. eingefräßt 120 x x L40 18/30/35 aufgeschraubt 140 x x L40 5/30/35 tw. eingefräßt 140 x x L40 3/30/35 tw. eingefräßt 140 x x L40 (*) 3/40/55 tw. eingefräßt 160 x x /+ 40 M40 5/50/55 tw. eingefräßt 160 x x M40 3/50/55 tw. eingefräßt 160 x x L40 (*) 18/40/55 Vollfuge m. Fugenband 160 x x / + 40 L40 5/50/55 tw. eingefräßt 180 x x L40 3/50/55 tw. eingefräßt 180 x x (*) für diese beiden Konfigurationen wurde der seitliche Brandaufschlag links und rechts des Verbinders von +40 mm auf +30 mm reduziert, ober- und unterhalb des Verbinders wurde der Brandaufschlag bei +40 mm beibehalten Mit der Durchführung der Kleinbrandversuche sollten folgende Fragen beantwortet werden: Auswirkung unterschiedlicher Fugengeometrien auf die Temperatur des Verbinders (Verschattungseffekt) Auswirkung des allseitigen Abbrandes auf die Abbrandtiefe unter Berücksichtigung der Schraubenlage im Querschnitt Die Kleinprobekörper wurden mit dem jeweiligen Verbinder auf einer Grundplatte aus Brettsperrholz befestigt. Um die Temperatur im Bereich des Verbinders während des Versuchs zu erfassen, wurden zwischen dem Holz und der Aluminiumverbinderplatte Thermoelemente eingebaut. Mit deren Hilfe wurde die Entwicklung der Temperatur in der Fuge zwischen Haupt- und Nebenträger sowie im Bereich des Verbinders während des Versuchs aufgezeichnet. Dadurch ließ sich eine Aussage über die Effektivität des Verschattungseffektes der Fuge auf die Temperatur des Verbinders machen. Im Anschluss an die beiden Versuche wurden die Restquerschnitte bestimmt. Dies ermöglicht einerseits eine Überprüfung der normativ festgelegten Abbrandraten sowie andererseits eine Feststellung der Lage der Schrauben im Nahbereich des Abbrandes welche einen wesentlichen Einfluss auf die Zugtragfähigkeit der Schraube hat. 6

7 5. Bisherige Ergebnisse Anhand der beiden bereits durchgeführten Kleinbrandversuche zeigt sich bereits sehr deutlich der Einfluss der Fugengeometrie auf die Temperaturverteilung in der Fuge zwischen dem Haupt- und dem Nebenträger sowie an der Verbinderoberfläche. Im Vergleich zur Vollfuge, bei welcher der Verbinder weder in den Nebenträger eingelassen noch ein intumeszierendes Fugenband verwendet wurde, zeigt sich sowohl bei Ausbildung einer 3 mm als auch bei einer 5 mm tiefen Fuge eine deutliche Verzögerung des Temperaturanstieges. Sowohl beim 30-minütigen als auch beim 60-minütigen Versuch blieb die Oberflächentemperatur des Verbinders unterhalb des bei Aluminium relevanten festigkeitsreduzierende Temperaturbereichs. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass bei einer entsprechenden Fugenausbildung eine ausreichende verschattende Wirkung eintritt und dadurch der Verbinder vor zu hohen Temperaturen geschützt ist. Die ersten Versuchsergebnisse haben ebenfalls gezeigt, dass es bei einer gleichen Fugengeometrie keine Unterschiede im Temperaturverhalten in der Fuge auch bei unterschiedlichen Verbindergrößen gibt. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass für den 60-minütigen Versuch die mit einem intumeszierenden Fugenband ausgestattete Vollfuge jener mit 3 mm Fugentiefe und entsprechendem seitlichen Randabstand gleichwertig ist. Insbesondere bei den 3 mm tiefen Fugengeometrien im 60-minütigen Brandversuch konnte eine deutliche Verzögerung des Temperaturanstieges in der Fuge zwischen dem Haupt- und dem Nebenträger beobachtetet werden. In den ersten ca. 20 Minuten nimmt die Temperatur in der Fuge nur minimal zu. Bei zwei Probekörpern in welchen jeweils L40 SHERPA- Verbinder eingebaut wurden, wurde der im Rahmen dieses Forschungsprojektes gewählte zusätzliche seitliche Abbrandaufschlag von +40 mm auf +30 mm reduziert. Auch dieser reduzierte seitliche Abstand des Verbinders zur Abbrandfront führte zu keiner kritischen Aluminiumtemperatur in den Verbinderplatten. 6. Zusammenfassung und Ausblick Ziel des derzeit an der HFA laufenden Forschungsprojektes ist es, wirtschaftliche Brandschutzlösungen für Haupt- und Nebenträgeranschlüsse für SHERPA-Verbinder zu entwickeln. Dazu wurden in einem ersten Schritt zunächst alle für die Tragfähigkeit des Verbindungsmittels relevanten Einflussfaktoren analysiert. Darauf aufbauend wurden repräsentative Verbinderkonstellationen mit unterschiedlichen Fugengeometrien bzw. mit intumeszierenden Fugenbändern im Rahmen von 30- bzw. 60-minütigen Kleinbrandversuchen getestet. Die ersten vorläufigen Ergebnisse zeigen einen positiven Einfluss der Bauteilfuge auf das Temperaturverhalten des Verbinders welcher durch den sogenannten Verschattungseffekt hervorgerufen wird. Dabei sind nicht nur die Fugenbreite sondern vielmehr auch die Fugentiefe sowie deren Höhe von Bedeutung. Jene Verbindungsmittelkonstellationen die sich in den Kleinbrandversuchen als sinnvoll erwiesen haben werden in weiterer Folge in noch durchzuführenden Großbrandversuchen unter statischer Last getestet. Ziel dieser Versuche ist es, die Tragfähigkeit der Verbinder, hier insbesondere die Tragfähigkeit der Schrauben unter Brand- und statischer Last auf Basis der gewählten Abbrandaufschläge von +20 bzw. +40 mm, zu bestätigen. Die Lage der Verschraubung zum Abbrandbereich ist dabei von zentraler Bedeutung wenn es um die Resttragfähigkeit der Schraube auf Herausziehen während des Versuches geht. Für die Ermittlung des Brandwiderstandes des SHERPA-Verbindungsmittels unter Auflast sind ebenfalls wieder zwei Versuchserien zu je 30 bzw. 60 Minuten Branddauer geplant. Als letzter Schritt sollen die im Rahmen dieses Projektes vorgeschlagenen Abbrandaufschläge auch Einzug in die Zulassung der Verbinder halten. Die aus diesem Forschungsprojekt gewonnen Erkenntnisse sollen zu einer sicheren Brandbemessung und wirtschaftlichen Ausführung von SHERPA-Verbindern beitragen. 7

8 7. Literatur [1] ÖNORM EN : Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauten Teil 1-2: Allgemeine Regeln Bemessung für den Brandfall [2] Deutsche Gesellschaft für Holzforschung, Holz Brandschutz Handbuch 3. Auflage, Ernst & Sohn Verlag, 2009 [3] Carling O. Fire resistance of joint details in loadbearing timber construction a literature survey, Building Research Association of New Zealand, Branz Study Report No. 18, 1989 [4] Bobacz D. Thermal Material Model of Wood, Projektbericht Nr , Projekt: Brandschutz im Hoch- und Industriebau, unter Mitarbeit von K. Bergmeister, J. Fornather, R. Handl, G. Hochrainer, W. Luggin, IKI BOKU Wien, 2005 [5] Bobacz D., Fornather J., Hochreiner G., Luggin W., Bergmeister K. Kleinbrandversuche KBV A. Forschungsbericht Nr , Projekt: Brandschutz im Hoch- und Industriebau, IKI BOKU Wien,