Zum Brandverhalten von Holzdecken aus Hohlkastenelementen

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1 Zum Brandverhalten von Holzdecken aus Hohlkastenelementen Andrea Frangi Mario Fontana Institut fÿr Baustatik und Konstruktion Eidgenšssische Technische Hochschule ZŸrich ZŸrich Juni 1999

2 Vorwort Der vorliegende Forschungsbericht dokumentiert experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Brandverhalten von zwei Holzdecken aus Hohlkastenelementen und schafft Grundlagen fÿr die Beurteilung des Brandverhaltens von Deckenkonstruktionen aus Holz bei lšngerer Branddauer fÿr Geschossbauten. Die Versuche sind Teil der lšngerfristig angelegten Forschungen zum vermehrten Einsatz der škologischen Holzbauweise in Geschossbauten. Ein Nachteil von Holz ist in diesem Zusammenhang seine Brennbarkeit und die damit verbundene Frage der Brandsicherheit. Holz kann nšmlich aufgrund der in den meisten Kantonen der Schweiz geltenden Feuerpolizeivorschriften nicht fÿr mehrgeschossige Bauten eingesetzt werden, sondern nur fÿr GebŠude mit geringen Anforderungen an das Tragwerk bis F3. Auch in anderen LŠndern bestehen EinschrŠnkungen fÿr den Einsatz von Holz in mehrgeschossigen Bauten. Im Vordergrund der Untersuchungen standen daher die experimentelle UeberprŸfung des Brandverhaltens der Hohlkastendecken insbesondere des Tragwiderstandes fÿr lšngere Feuerwiderstandszeiten und der Vergleich der Versuchsresultate mit bestehenden Berechnungsmodellen. Im weiteren lieferten die Versuche grundlegenden Daten zur Abbrandgeschwindigkeit und zu den Holztemperaturen. Neben dem Tragwiderstand werden an Decken auch Anforderungen an die Feuer- und Rauchdichtigkeit sowie die IsolationsfŠhigkeit gestellt. Wichtig in diesem Zusammenhang sind die Ausbildung der Fugen zwischen den Deckenelementen und der Außagerbereiche. Aus diesem Grunde wurden in den Versuchen mehrere unterschiedliche Fugenkonstruktionen eingesetzt und auf ihre Eignung geprÿft. Die Untersuchungen entstanden in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Lignatur AG, Waldstatt und wurden unterstÿtzt durch das Fšrderprogramm Holz 2 des BU- WAL. Ich mšchte an dieser Stelle allen mit der Finanzierung, Planung und DurchfŸhrung betrauten Partnern und Mitarbeitern ganz herzlich danken. Die Versuche wurden an der EMPA in DŸbendorf in Zusammenarbeit mit den Herren U. Brunschweiler, R. Pasquariello und R. Menet durchgefÿhrt, welche uns zuvorkommend und kompetent unterstÿtzt haben. Herr R. SchlŠpfer, Lignatur AG, hat die Versuche initiiert, die Versuchskšrper entworfen und hergestellt. Er hat dadurch wesentlich zum Zustandekommen der Untersuchungen beigetragen. Ein besonderer Dank geht auch an die Herren Hp. Arm, Versuchsingenieur und die wissenschaftlichen Mitarbeiter A. Frangi und T. Maag, welche die Versuche in kurzem Zeitraum erfolgreich durchgefÿhrt haben. Herr A. Frangi hat zudem mit grossem Einsatz die Versuche fÿr den vorliegenden Bericht ausgewertet, Ÿbersichtlich dargestellt und die vergleichenden Untersuchungen durchgefÿhrt. ZŸrich, Juni 1999 Prof. Dr. M. Fontana I

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung Leistungsanforderungen im Brandfall Einwirkungen im Brandfall Thermische Einwirkung Mechanische Einwirkung Feuerwiderstand von Holzkonstruktionen Brandverhalten von Holz Abbrandgeschwindigkeit von Holz Temperaturverlauf in brandbeanspruchten Querschnitten Festigkeitseigenschaften von Holz bei hšheren Temperaturen Feuerwiderstand von Holzbauteilen Bemessung von Holzbauteilen im Brandfall SIA Dokumentation ENV Brandschutztechnische Bemessung der geprÿften Decken Lignatur-Deckenelemente Deckenausbildung fÿr hšhere FeuerwiderstŠnde Bemessung fÿr Raumtemperatur Bemessung der Decke REI 6 fÿr den Brandfall Bemessung der Decke REI 9 fÿr den Brandfall Brandversuch zum Fugenverhalten 2.1 Problemstellung und Zielsetzung Versuchskšrper Versuchseinrichtung Messeinrichtung VersuchsdurchfŸhrung Versuchsresultate Beobachtungen Temperaturen Restquerschnitt Schlussfolgerung Fotos Brandversuch zum Feuerwiderstand REI Zielsetzung Versuchskšrper Versuchseinrichtung III

4 3.3.1 Horizontalofen der EMPA Versuchsrahmen Lagerungsbedingungen Belastungseinrichtung Messeinrichtung VersuchsdurchfŸhrung Belastungskonzept Vorversuche Brandversuch Traglastversuch Resultate der Vorversuche Resultate des Brandversuches Beobachtungen Verformungen Temperaturen Restquerschnitt Resultate des Traglastversuches Schlussfolgerung Fotos Brandversuch zum Feuerwiderstand REI Zielsetzung Versuchskšrper Versuchseinrichtung Messeinrichtung VersuchsdurchfŸhrung Belastungskonzept Vorversuche Brandversuch Traglastversuch Resultate der Vorversuche Resultate des Brandversuches Beobachtungen Verformungen Temperaturen Restquerschnitt Schlussfolgerung Fotos Auswertung 5.1 Vorversuche bei Raumtemperatur Brandversuche Abbrandgeschwindigkeit Verformungen IV

5 5.2.3 Feuerwiderstand Temperaturen Schlussfolgerung Zusammenfassung 85 Summary 86 Bezeichnungen 87 Literatur 9 Anhang A Querschnitte der Holzdecken 95 Anhang B Versuchseinrichtung 97 Anhang C Im Brandversuch zum Fugenverhalten gemessene Temperaturen 1 Anhang D Im Brandversuch REI 6 gemessene Temperaturen 16 Anhang E Im Brandversuch REI 9 gemessene Temperaturen 114 V

6 1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung Die Berechnung des Feuerwiderstandes von Holzkonstruktionen erfolgt in der Regel Ÿber die Bestimmung des Abbrandes. In der Schweiz wird als Berechnungsgrundlage die SIA Dokumentation 83 [42] verwendet, welche sich an der Bemessungsmethode ECSM (Effective Cross Section Method) mit ideellem Restquerschnitt der ENV [9] orientiert. Bisher wurde dieses Berechnungsverfahren jedoch nur bis zu einer Feuerwiderstandsdauer von 3 Minuten eingesetzt, weil die geltenden kantonalen Vorschriften [5] brennbare Tragwerke nur bis zur Feuerwiderstandsklasse F3(bb) zulassen. Im Rahmen der anstehenden Revision der Brandschutzvorschriften wird der Einsatz von Holz auch fÿr den Bereich F6 diskutiert. Dadurch wÿrden sich fÿr den Holzbau neue Anwendungsmšglichkeiten insbesondere fÿr mehrgeschossige Bauten ergeben. Zur UeberprŸfung der bestehenden Rechenmodelle fÿr 6 und mehr Minuten Feuereinwirkung wurden am Institut fÿr Baustatik und Konstruktion der ETH ZŸrich, unterstÿtzt durch die EMPA DŸbendorf, am Beispiel der Lignatur-Deckenelemente Untersuchungen durchgefÿhrt. Neben dem Tragwiderstand interessierte insbesondere auch die experimentelle UeberprŸfung des Fugenverhaltens, weil dazu keine abgesicherten Rechenmodelle vorliegen. 1.2 Leistungsanforderungen im Brandfall GemŠss ENV [9], Ziffer 2.1 werden folgende Anforderungen an Bauteile gestellt: 1) Soweit ein mechanischer Feuerwiderstand gefordert ist, mÿssen die Tragwerke so bemessen und konstruiert werden, dass sie ihre TragfŠhigkeit wšhrend der festgesetzten Brandbeanspruchung beibehalten (Eigenschaft der TragfŠhigkeit ÒRÓ). 2) Wenn die Bildung von Brandabschnitten verlangt wird, mÿssen die Bauteile so bemessen und konstruiert werden, dass sie ihre raumabschliessende Funktion wšhrend der festgesetzten Brandbeanspruchung erfÿllen, d.h.: - kein Versagen der Rauchdichtigkeit durch Risse, Lšcher oder andere Oeffnungen, die gross genug sind, einen Feuerdurchgang in Form von Flammen oder heissen Gasen zu erlauben (Eigenschaft der Rauchdichtigkeit ÒEÓ) - kein Versagen der thermischen Isolierung durch Temperaturerhšhung auf der dem Feuer abgewandten Seite Ÿber vereinbarte Grenzen hinaus (Eigenschaft der thermischen Isolierung ÒIÓ), d.h. die zulšssige mittlere Temperaturerhšhung auf der dem Feuer abgewandten Seite ist auf 14 K und die maximale Temperaturerhšhung in jedem Punkt ist auf 18 K beschršnkt. 1

7 Einleitung Die Lignatur-Deckenelemente wurden sowohl auf ihre TragfŠhigkeit als auch auf ihre raumabschliessende Funktion wšhrend der festgesetzten Brandbeanspruchung geprÿft. 1.3 Einwirkungen im Brandfall Thermische Einwirkung Entsprechend der Zielsetzung wurden ISO-Normbrandversuche durchgefÿhrt. Als Temperatur-Zeitgesetz fÿr die Ofentemperatur wird die Einheitstemperaturkurve (ETK) nach ISO 834 [2] angenommen. Die durch die Gleichung (1.1) deþnierte ISO-Normbrandkurve ist im Bild 1.1 dargestellt. Θ g = log( 8 t + 1) (1.1) t: Brandzeit in Minuten Θ g : Gastemperatur 14 Temperatur [ C] Mechanische Einwirkung GemŠss Norm SIA 16 [43], Ziff und der ENV [5], Ziff stellt Brand eine aussergewšhnliche Einwirkung dar. Nutzlasten dÿrfen mit einem gegenÿber der Kaltbemessung reduzierten Wert, d.h. einem wahrscheinlicheren Wert (hšherer Fraktilwert) berÿcksichtigt werden Brandzeit [Min.] Bild 1.1 Einheitstemperaturkurve (ETK) nach ISO 834 [2] Norm Eigengewicht Außasten Nutzlasten Norm SIA 16 γ G = 1. ψ acc = 1. ψ acc =.3 ENV γ G = 1. ψ acc = 1. ψ acc =.5 Tabelle 1.1 Lastfaktoren fÿr die aussergewšhnliche Einwirkung Brand

8 Feuerwiderstand von Holzkonstruktionen Die Tabelle 1.1 zeigt die Lastfaktoren fÿr die aussergewšhnliche Einwirkung Brand fÿr GebŠude der Kategorie B (BŸros) gemšss Norm SIA 16, Tabelle 2 und der ENV , Tabelle 9.3. Die Einwirkungen ergeben sich aus Eigenlast und der Nutzung gemšss Nutzungsplan (q A : Außasten, q N : Nutzlasten). Da die aussergewšhnliche Leiteinwirkung Brand primšr keine mechanischen Lasten verursacht, ergibt sich der Bemessungswert der Beanspruchung gemšss ENV zu: S dfi, = γ G g+ ψ acc q A + ψ acc q N = 1. g + 1. q A +.5 q N (1.2) Als Lastfaktor fÿr die Nutzlasten wurde bei der DurchfŸhrung der Brandversuche der im Vergleich zur Norm SIA 16 (ψ acc,sia =.3) hšhere Wert gemšss ENV angenommen (ψ acc,env =.5). 1.4 Feuerwiderstand von Holzkonstruktionen Brandverhalten von Holz Holz besteht im wesentlichen aus etwa 45% Cellulose, 2% Polyosen und 3% bis 35% Lignin, d.h. aus organischen Verbindungen die ihrerseits hauptsšchlich aus Kohlenstoffund WasserstoffmolekŸlen aufgebaut sind und deshalb brennbar sind. Wird dem Holz genÿgende WŠrme zugefÿhrt, fÿhrt ein thermischer Prozess (Pyrolysis) zur Zersetzung des Holzes unter Bildung von Holzkohle und brennbaren Gasen. Die Entßammbarkeit von Holz hšngt in hohem Masse von seinem physikalischen Zustand (Rohdichte, Holzfeuchtigkeit, Oberߊchenbeschaffenheit) und von den geometrischen Bedingungen (VerhŠltnis der Oberߊche zum Volumen) ab. Ein hoher Feuchtegehalt kann die Entßammbarkeit fÿhlbar herabsetzen. Uebliche Holzbauteile in Bauwerken mit einem Feuchtegehalt kleiner als 2% erhalten aber durch die Holzfeuchte keine baupraktisch wertbare Schutzwirkung. Je gršsser das VerhŠltnis der Oberߊche zum Volumen ist, desto leichter lassen sich Holzteile entzÿnden und desto rascher breiten sich die Flammen aus. Viele scharfe Kanten oder Ecken, Risse sowie rauhe und faserige Oberߊchen vergršssern dieses VerhŠltnis. DŸnne HolzspŠne sind leicht entzÿndlich, Ÿbliche Holzbauteile besitzen demgegenÿber ein gÿnstiges, kleines VerhŠltnis von Oberߊche zum Volumen, wodurch ihre EntzŸndbarkeit niedriger ist. Je geringer die EntzŸndbarkeit ist, desto hšher muss die EntzŸndungstemperatur sein, d.h. viel Šussere WŠrme muss zugefÿhrt werden. Die EntzŸndungstemperatur von Holz hšngt aber nicht nur von den bisher erwšhnten Faktoren ab, sondern zusštzlich von der Dauer bzw. der Geschwindigkeit der WŠrmeeinwirkung, der BelŸftung sowie der Anwesenheit einer ZŸndßamme [25],[48]. Der Verlauf der thermischen Zersetzung des Holzes mit zunehmender Temperatur kann in vier Phasen abgestuft werden. Bis 15 C Þndet eine Austrocknung des Materials statt, der sich zwischen 13 C und 2 C eine VerŠnderung der Polyosen und des Lignins unter Bildung von Gasen (7% aus unbrennbarem CO 2, 3% aus brennbarem CO) anschliesst. Der Prozess ist mit einem Gewichtsverlust verbunden. In einer zweiten Stufe werden ab 2 C die Polyosen vollstšndig abgebaut und die Cellulose beginnt zu erweichen. In diesem Stadium verlšuft die Pyrolyse im ganzen betrachtet noch langsam, die Zusammensetzung der gebildeten Gase Šndert sich wenig, der Gewichtsverlust betršgt bis zu 4%. In der dritten Stufe ab 28 C verlaufen die Reaktionen sehr aktiv und lebhaft 3

9 Einleitung exotherm, der Gewichtsverlust steigt rapide an und Holzkohle wird gebildet. Infolge eines steigenden Gehalts an Kohlewasserstoffen wird die Mischung der gebildeten Gase leichter brennbar, so dass in Anwesenheit einer ZŸndßamme zu einer EntzŸndung der Gase kommt. Die Cellulose wird zwischen 28 C und 35 C zersetzt, wšhrend der thermische Abbau des Lignins zwischen 35 und 4 C Hšchstwerte erreicht und zwischen 45 C und 5 C zu Ende kommt. Anschliessend nimmt in der vierten Stufe ab 5 C die Gasbildung rasch ab, die Holzkohlenmenge hingegen zu [18],[29] Abbrandgeschwindigkeit von Holz Der zeitliche Verlauf der thermischen Zersetzung von Holz, die Abbrandgeschwindigkeit (Verkohlungstiefe bezogen auf die Branddauer in mm/min.), ist fÿr die Beurteilung des Brandverhaltens die massgebende Gršsse. Als Bezugsebene fÿr die Messung der Abbrandgrenze gilt die durch Temperatureinwirkung braun verfšrbte, aber noch nicht vollstšndig zu Holzkohle zersetzte Schicht. Zur Messung des Abbrandes stehen prinzipiell zwei Methoden zur VerfŸgung. Die gebršuchlichste und international am hšuþgsten angewandte Methode ist die einmalige Messung nach Versuchsende, indem die Holzkohle mit einem scharfen Werkzeug bis auf die unverkohlte Holzschicht entfernt wird und die Breite des Restquerschnittes gemessen wird. Der Abbrand wird anschliessend aus der Differenz von Ausgangsbreite und Restbreite errechnet. Die zweite aufwendigere Methode ist die kontinuierliche Messung des Abbrandes wšhrend der Brandbeanspruchung. Diese Methode wurde von Knublauch [22] und Lache [28] verwendet. Einheitstemperaturzeitkurve Externe Brandkurve Naturbrand Temperatur Rohdichte Jahrringbreite Jahrringorientierung WŠrmeleitfŠhigkeit WŠrmekapazitŠt Holzschutzmittel Holzart Holzfeuchte QS-Abmessungen Holz PermeabilitŠt Abbrandgeschwindigkeit OberflŠchenqualitŠt Inhaltstoffe Brenner SekundŠrluft Brennstoff Hydrokarbon-Brandkurve ParameterabhŠngiger Brand Druck BrandatmosphŠre Sonstige Gase Pressluft O2-Gehalt CO2-Gehalt CO-Gehalt Bild 1.2 Mšgliche Einßussfaktoren auf die Abbrandgeschwindigkeit Das Bild 1.2 zeigt mšgliche Einßussfaktoren auf die Abbrandgeschwindigkeit [28]. Als Temperatur-Zeitgesetz der Umgebung wird in der Regel bei der DurchfŸhrung von Brandversuchen die Einheitstemperaturkurve (ETK) nach ISO 834 angenommen. Knublauch [22], Schaffer [36] und Mikkola [32] zeigten, dass die Abbrandgeschwindigkeit in hohem Masse von der Temperatur der Brandbeanspruchung abhšngt. Ueber die Bedeutung der anderen Einßussfaktoren, insbesondere der Holzmaterialeigenschaften 4

10 Feuerwiderstand von Holzkonstruktionen stehen mehrere experimentelle Untersuchungen von verschiedenen Autoren zur VerfŸgung, die teilweise zu widersprÿchlichen Aussagen kommen. Zu bemerken ist aber, dass die meisten experimentellen Untersuchungen ([2],[3],[4],[14],[15],[21],[3],[33],[4], [41],[47]) an Versuchsmaterial mit Bauteildimensionen erfolgten. Zielsetzung dieser Versuche war die Bestimmung der Feuerwiderstandsdauer und entsprechender Mindestquerschnitte. Nur wenige Untersuchungen (Schaffer [36], White [53], Ršll [35], Topf [49], Mikkola [32] und Lache [28]) erfolgten an Kleinproben, um gezielt Einßussparameter auf die Abbrandgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Tabelle 1.2 zeigt die Resultaten der Versuche an Kleinproben (5x1x2 mm) unter einseitiger ISO-Normbrandeinwirkung von Lache [28], der zur UeberprŸfung der Resultate auch Versuche an Proben mit Bauteilabmessungen (unter vierseitiger Brandbeanspruchung) fÿhrte. Die gemessene mittlere Abbrandgeschwindigkeit an 2 BSH-Balken aus Fichte mit der mittleren Holzfeuchte von 11% betrug.66 ±.8 mm/min. Holzart Anzahl Proben Holzfeuchte [%] Rohdichte [kg/m3] Abbrandgeschwindigkeit [mm/min.] Standardabweichung [mm/min.] Kiefer Splint Kiefer Kern Fichte Fichte Buche Buche Eiche Eiche Meranti Meranti Tabelle 1.2 Mittlere Holzfeuchte, Rohdichte und Abbrandgeschwindigkeit fÿr verschiedene Holzarten. Versuche an Kleinproben unter ISO-Normbrand [28]. Uebereinstimmend ist bei allen Autoren die Feststellung, dass die Abbrandgeschwindigkeit wšhrend der Versuchsdauer bei einer Brandbeanspruchung nach ETK konstant ist. Die Zeit bis zum Beginn der Kohlebildung ist in der Regel klein (wenige Minuten) und wird Ÿblicherweise vernachlšssigt, d.h. der Beginn der Brandbelastung entspricht dem Beginn der Kohlebildung. Zusammenfassend kšnnen folgende Feststellungen gemacht werden: - die Abbrandgeschwindigkeit ist unter den Bedingungen der ETK konstant. - die Abbrandgeschwindigkeit ist holzartenabhšngig, d.h. sie wird durch die Holzstruktur gepršgt. - die Jahrringbreite und die Jahrringorientierung haben keinen Einßuss auf die Abbrandgeschwindigkeit. - die Abbrandgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Holzfeuchte ab. Hšlzer mit einer Holzfeuchte von 2% weisen eine um etwa 1% geringere Abbrandgeschwindig- 5

11 Einleitung keit als bei einer Holzfeuchte von 8% auf. FŸr die praktische Anwendung ist diese Abnahme aber nicht von Bedeutung. - der Einßuss der Rohdichte auf die Abbrandgeschwindigkeit ist von geringer Bedeutung. Die holzartentypische Abbrandgeschwindigkeit ist so stark gepršgt, dass Buche trotz relativ hoher Rohdichte eine hšhere Abbrandgeschwindigkeit aufweist als Fichte, was auf die zerstreutporige Struktur und zahlreiche ršhrenfšrmige GefŠsse zurÿckzufÿhren ist. - die Abbrandgeschwindigkeit bei ein- oder vierseitiger Brandbeanspruchung ist gleich. Voraussetzung fÿr einen gleichmšssigen Abbrand auf allen Balkenseiten ist jedoch die allseitig gleiche Temperaturbeanspruchung und die Einhaltung von minimalen Abmessungen, so dass keine Beeinßussung der Temperatureinwirkung durch die gegenÿberliegende Seite stattþndet. - Zug- und Druckspannungen auf den Balkenseiten haben keinen Einßuss auf die Abbrandgeschwindigkeit Temperaturverlauf in brandbeanspruchten Querschnitten Die Kohleschicht bildet wegen ihrer im Vergleich zum Holz deutlich tieferen WŠrmeleitfŠhigkeit eine isolierende Schicht und schÿtzt das darunterliegende Holz vor WŠrmeeinwirkung, so dass die Temperaturverteilung in brandbeanspruchten Holzquerschnitten durch einen grossen Temperaturgradienten gekennzeichnet ist. Temperatur [ C] Min. 4 Min. 6 Min Temperatur [ C] 8 mm 16 mm 24 mm 4 mm 6 mm 8 mm Hšhe der Holzbrettstapeldecke [mm] Brandzeit [Min.] Bild 1.3 Gemessene TemperaturproÞle (links) bzw. Temperaturen (rechts) in einer durch ISO-Normbrand beanspruchten 1 mm hohen Brettstapeldecke Das Bild 1.3 links zeigt die in einer wšhrend 7 Minuten durch die ISO-Normbrandeinwirkung von unten beanspruchten 1 mm hohen Holzbrettstapeldecke (Rohdichte 43 kg/m 3, Holzfeuchtigkeit 12%) gemessenen TemperaturproÞle nach 2, 4 und 6 Minuten [1]. Die Temperaturen nehmen zum Querschnittsinneren schnell ab (von 2 C auf 2 C innerhalb ca. 3-4 mm). Das Bild 1.3 rechts zeigt fÿr denselben Holzquerschnitt 6

12 Feuerwiderstand von Holzkonstruktionen die wšhrend des Brandversuches Ÿber verschiedenen Tiefen (8, 16, 24, 4, 6 und 8 mm von der dem Feuer ausgesetzten Oberߊche) gemessenen Temperaturen. Typisch bei allen Temperatur-Zeitkurven ist die durch die Wasserverdampfung bedingte Haltezeit bei ca. 1 C. Aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen ([2],[3],[11],[28],[32],[36], [51]) kšnnen zusammenfassend folgende Feststellungen gemacht werden: - das TemperaturproÞl in brandbeanspruchten Holzquerschnitten hšngt wesentlich von der Temperatur der Brandbeanspruchung ab. - TemperaturproÞle fÿr verschiedene Holzarten weisen geringe Unterschiede auf. Das gilt auch fÿr TemperaturproÞle der gleichen Holzart bei Holzfeuchten von 8% bzw. 2%. - das TemperaturproÞl beim brandbeanspruchten Rand ist nšherungsweise unabhšngig von der Querschnittgršsse, sofern der Restquerschnitt ausreicht, um eine gegenseitige Beeinßussung gegenÿberliegender RŠnder zu verhindern. - das TemperaturproÞl ist abhšngig von der Branddauer, d.h. es wird mit zunehmender Branddauer etwas ßacher. - die Temperatur an der Abbrandgrenze variiert zwischen 2 C und 3 C. Lache [28] stellte eine Temperatur von 253 C (± 53 C) fÿr Fichte, 217 C (± 59 C) fÿr Kiefer, 235 C (± 48 C) fÿr Buche und 256 C (± 46 C) fÿr Eiche fest. - der Temperaturgradient unterhalb der Abbrandgrenze wird in ca. 3 bis 4 mm abgebaut, d.h. in einer Tiefe von ca. 3 bis 4 mm unterhalb der Abbrandgrenze wird keine Zunahme der Temperatur gemessen. - der Temperaturgradient fÿhrt zu thermischen Dehnungen bzw. thermischen Eigenspannungen, die je nach Lagerungsbedingungen, geometrischen Querschnittsabmessungen und Verlauf der Brandtemperatur das Brandverhalten gÿnstig oder ungÿnstig beeinßussen kšnnen. Das Holz Brandschutz Handbuch [27] gibt die Gleichung (1.3) zur Berechnung des Temperaturverlaufes in einem zweiseitig von ISO-Normbrand beanspruchten Holzquerschnitt. Der Gleichung wird eine Temperatur an der Abbrandgrenze von 2 C und eine Abbrandgeschwindigkeit von.56 mm/min. fÿr Laubholz (ausser Buche),.7 mm/min. fÿr BSH aus Nadelholz (inkl. Buche) und.8 mm/min. fÿr Vollholz aus Nadelholz (inkl. Buche) zugrundegelegt. v t (.398 t.62) Tx ( ) = x (1.3) T: Temperatur in C in AbhŠngigkeit von der Tiefe x v: Abbrandgeschwindigkeit in mm/min. t: Brandzeit in Minuten x: Tiefe in mm von der Ausgangsoberߊche Als Grundlage fÿr die Berechnung des ModiÞkationsfaktors k mod,þ bei der Bemessungsmethode RSSM (Reduced Strength and Stiffness Method) gemšss ENV [9] 7

13 Einleitung wurde die von der Brandzeit unabhšngige vereinfachte Gleichung (1.4) ermittelt. Die Gleichung basiert auf einer Abbrandgeschwindigkeit von.7 mm/min. fÿr BSH aus Nadelholz (inkl. Buche) und.8 mm/min. fÿr Vollholz aus Nadelholz, einer Temperatur an der Abbrandgrenze von 2 C und einem Abbau des Temperaturgradienten von 2 C auf 2 C innerhalb 25 mm Holztiefe [51]. x Tx ( ) = (1.4) T: Temperatur in C in AbhŠngigkeit von der Tiefe x x: Tiefe in mm von der Abbrandgrenze Festigkeitseigenschaften von Holz bei hšheren Temperaturen Die Brandeinwirkung fÿhrt einerseits zu einem Querschnittsverlust (Bildung von Holzkohle), anderseits zu einer temperaturbedingten Abnahme der Festigkeit und SteiÞgkeit des unter der Kohleschicht vorhandenen Holzes. Aeltere wesentliche Erkenntnisse Ÿber Festigkeitseigenschaften von Holz bei hšheren Temperaturen beruhen auf die Untersuchungen von Kollmann [24], Schaffer [37], Knudson [23] und Oestmann [34]. Gerhards [12] gibt eine umfassende Uebersicht Ÿber die bis 198 zum Thema erschienenen Arbeiten verschiedener Autoren. Die meisten oben erwšhnten Arbeiten wurden bei stationšren Temperaturen an fehlerfreien Kleinproben ermittelt und es wurden keine systematischen Untersuchungen Ÿber die Einߟsse von Rohdichte und Ausgangsfeuchte durchgefÿhrt. Reduzierte Festigkeiten und Steifigkeiten von Holz 1..9 E(T)/E.8 f z (T)/f z f b (T)/f b (E-Modul).7 (f z : Zugfestigkeit).59 (f b : Biegefestigkeit).4.2 f d (T)/f d.27 (f d : Druckfestigkeit) Holztemperatur [ C] Bild 1.4 TemperaturabhŠngige Festigkeiten und SteiÞgkeiten von Holz [13] Glos [13] untersuchte die elasto-mechanische Holzeigenschaften an 525 PrŸfkšrpern aus Fichtenholz mit Bauteilabmessungen bei Biege-, Druck- und Zugbeanspruchung und Temperaturen von 2 C, 1 C und 15 C sowie unterschiedlichen Holzfeuchten. Die Probekšrper wurden zunšchst im Trockenschrank auf die entsprechende Temperatur geheizt und wšhrend der PrŸfung mit Infrarotstrahlern zur Aufrechterhaltung dieser Temperatur bestrahlt. Dadurch besassen die PrŸfkšrper eine nahezu konstante Temperatur Ÿber den Querschnitt. Die Versuche bestštigten, dass die Ausgangsfeuchte einen grossen 8

14 Bemessung von Holzbauteilen im Brandfall Einßuss auf Festigkeit und E-Modul hat und die Zugfestigkeit am wenigsten, die Druckfestigkeit dagegen am stšrksten von der Temperatur beeinßusst wird. Das Bild 1.4 zeigt die erhaltenen temperaturabhšngigen Festigkeiten und SteiÞgkeiten von Holz bei hšheren Temperaturen. Zu bemerken ist, dass die VerhŠltnisse bei einer Brandbeanspruchung mit instationšren Temperaturgradienten und FeuchtigkeitszustŠnden im Querschnitt nicht der in den Versuchen von Glos [13] vorhandenen gleichmšssigen Temperatur und Holzfeuchte Ÿber dem Querschnitt entsprechen Feuerwiderstand von Holzbauteilen Ein Bauteil weist einen bestimmten Feuerwiderstand gegenÿber der ISO-Normbrandkurve auf, wenn es die gestellten Anforderungen gemšss Abschnitt 1.2 wšhrend einer bestimmten Zeitdauer in Minuten erfÿllt. Ueber den Feuerwiderstand von Holzbauteilen, insbesondere rechteckigen BiegetrŠgern und Druckgliedern aus Vollholz und BSH unter drei- bzw. vierseitiger ISO-Normbrandeinwirkung stehen mehrere experimentelle (vgl. Abschnitt 1.4.2) und theoretische Arbeiten (z.b. [3],[31],[38],[39]) zur VerfŸgung. Die meisten Untersuchungen dienten der Festlegung von massgebenden Einßussfaktoren, der Bestimmung von Mindestquerschnitten und dem Entwurf bzw. der UeberprŸfung von Tragmodellen. Massgebende Einßussgršssen auf den Feuerwiderstand von Holzbauteilen unter ISO-Normbrandeinwirkung sind: - die Holzart bzw. die HolzgŸte (Aestigkeit, Schwindrisse, Fehlstellen). BSH-Balken weisen in der Regel im Vergleich mit Vollholzbalken ein gÿnstigeres Brandverhalten auf. - die Abbrandgeschwindigkeit (HolzartenabhŠngig) - die geometrischen Abmessungen (QS-Abmessungen, VerhŠltnis zwischen dem Feuer ausgesetzter Oberߊche und Volumen) - Ausnutzungsgrad (vorhandene Spannung am Anfang des Brandversuches im Vergleich zur Grenzspannung) 1.5 Bemessung von Holzbauteilen im Brandfall SIA Dokumentation 83 Die vereinfachte Bemessungsmethode fÿr Holzkonstruktionen im Brandfall gemšss SIA Dokumentation 83 [42] orientiert sich an der Bemessung mit ideellem Restquerschnitt der ENV [9]. Der Tragsicherheitsnachweis wird gemšss Gleichung (1.5) durchgefÿhrt. S d,þ < R Þ / γ R,Þ (1.5) S d,þ : Bemessungswert der Beanspruchung im Brandfall R Þ : Bemessungswert des Tragwiderstandes fÿr brandbeanspruchte Holzbauteile γ R,Þ : Widerstandsbeiwert von Holzkonstruktionen im Brandfall (γ R,Þ = 1.) 9

15 Einleitung Der Bemessungswert der Beanspruchung im Brandfall S d,þ wird gemšss Norm SIA 16 [43], Ziffer berechnet (vgl. Abschnitt 1.3.2). Beanspruchungsart Bezeichnung Kantholz Brettschichtholz Biegung f Þ,b 28. N/mm N/mm 2 Druck f Þ,d 25. N/mm N/mm 2 Zug f Þ,z 16. N/mm 2 2. N/mm 2 Schub f Þ,τ 2.5 N/mm N/mm 2 Tabelle 1.3 ModiÞzierte Eingangsspannungen f Þ in N/mm 2 fÿr Kantholz und BSH Der Bemessungswert des Tragwiderstandes R Þ fÿr brandbeanspruchte Holzbauteile wird am nach Bild 1.5 ermittelten Restquerschnitt unter BerŸcksichtigung der modiþzierten Eingangspannungen f Þ nach Tabelle 1.3 bestimmt. Dreiseitiger Abbrand Vierseitiger Abbrand d red d char d ef h fi h d red d char def Restqs. d ef h fi h d ef d ef d ef b fi d ef Ausgangsqs. d ef b fi d ef b b b ; h b fi ; h fi t fi,erf b Breite bzw. Hšhe des Ausgangsquerschnittes d ef = d char + d red Breite bzw. Hšhe des Restquerschnittes d char = b. tfi,erf erforderliche Feuerwiderstandsdauer in Min. d red = 7 mm (fÿr t fi,erf > 2 Min.) rechnerische Abbrandgeschwindigkeit in mm/min. Bild 1.5 Bestimmung des Restquerschnittes gemšss SIA Dok. 83 [42] Zur Berechnung des Restquerschnittes wird die Abbrandtiefe d char um die Gršsse d red mit dem Grundwert von 7 mm erhšht. Diese Vergršsserung der Abbrandtiefe berÿcksichtigt indirekt die temperaturbedingte Festigkeitsreduktion der Holzbereiche in der NŠhe der Abbrandgrenze. Die Abbrandtiefe d char wird unter der Annahme einer konstanten linearen Abbrandgeschwindigkeit β nach Tabelle 1.4 berechnet. Material β in mm/min. Kantholz aus Nadelholz oder Buche.8 Brettschichtholz aus Nadelholz oder Buche.7 Kantholz und Brettschichtholz aus Eiche oder Robinie.5 Massivholzschalungen und Holzwerkstoffe.9 Tabelle 1.4 Rechnerische Abbrandgeschwindigkeiten β o gemšss SIA Dok. 83 [42] Die rechnerischen Abbrandgeschwindigkeiten β gelten fÿr Biege-, Druck- und Zugglieder bei ein- oder mehrseitiger Brandeinwirkung, unabhšngig ob diese von unten, von der 1

16 Bemessung von Holzbauteilen im Brandfall Seite oder von oben stattþndet. Die im Vergleich mit BSH hšhere vereinbarte Abbrandgeschwindigkeit β von.8 mm/min. fÿr Kantholz berÿcksichtigt das experimentell ungÿnstigeres Brandverhalten von Kantholzbalken, welches im wesentlichen auf Unstetigkeiten im Querschnitt (Schwindrisse, Aeste, Fehlstellen) und einen dadurch bedingten ungÿnstigeren Abbrand zurÿckgefÿhrt werden kann ENV Der Tragsicherheitsnachweis fÿr Holzkonstruktionen im Brandfall gemšss ENV [9] wird nach Gleichung (1.6) durchgefÿhrt. E Þ,d < R Þ,d (1.6) E Þ,d : Bemessungswert der Beanspruchung im Brandfall R Þ,d : Bemessungswert der Beanspruchbarkeit unter Brandbelastung Der Bemessungswert der Beanspruchung im Brandfall E Þ,d wird gemšss ENV [8] und der ENV [7] berechnet (vgl. Abschnitt 1.3.2). Die Bemessungswerte der Beanspruchbarkeit unter Brandbelastung R Þ,d werden gemšss folgenden Gleichungen ermittelt. f k f fi, d = k mod, fi k fi γ Mfi, E k, 5 E fi, d = k mod, fi k fi γ Mfi, fÿr die Festigkeitseigenschaften (1.7) fÿr die SteiÞgkeitseigenschaften (1.8) Die charakteristischen Festigkeitskennwerte f k und SteiÞgkeitskennwerte E k,5 (als 5% Fraktilwerte) bei Raumtemperatur werden in EN 338 [6] deþniert. Der Widerstandsbeiwert γ M,Þ von Holzkonstruktionen im Brandfall ist gleich 1.. Der ModiÞkationsfaktor k mod,þ hšngt von der verwendeten Bemessungsmethode ab (vgl. Bild 1.6). d d char d ef ECSM Ideeller QS Verbleidender QS Ausgangsqs d ef = k. d + d char = k. d + b. t RSSM A r p d char = b. t d char k mod,fi Biegung Zug, E-Modul Druck p/a r f fi,d = k mod,fi. k fi. f k / g M,fi E fi,d = k mod,fi. k fi. E k,5 / g M,fi Mit k mod,fi = 1. ; g M,fi = 1. k fi = 1.25 [Vollholz] k fi = 1.15 [BSH] f fi,d = k. mod,fi k fi. f k / g M,fi E fi,d = k. mod,fi k fi. E k,5 / g M,fi Mit k mod,fi = f(p/a r ) ; g M,fi = 1. k fi = 1.25 [Vollholz] k fi = 1.15 [BSH] Bild 1.6 Bemessungsmethoden fÿr Holzkonstruktionen im Brandfall gemšss ENV

17 Einleitung Damit die Bemessungsregel der ENV nicht zu einer Erhšhung des Sicherheitsniveaus fÿhrt, wird der Beiwert k Þ eingefÿhrt. Der Wert k Þ. f k entspricht ungefšhr der 2%-Fraktile der Grundgesamtheit [26]. Die Bemessungsmethode mit ideellem Restquerschnitt (auf Englisch als ECSM, Effective Cross Section Method bezeichnet) berÿcksichtigt die temperaturabhšngige Abnahme der Festigkeit des unter der Holzkohle verbleibenden Restquerschnittes, indem die Abbrandtiefe d char um die ideelle Abbrandtiefe k. d mit dem Grundwert d von 7 mm erhšht wird. Die Festigkeits- und SteiÞgkeitseigenschaften des ideellen Querschnittes f Þ,d und E Þ,d entsprechen denjenigen des Ausgangsquerschnittes bei Raumtemperatur. Der ModiÞkationsfaktor k mod,þ wird gleich 1. gesetzt. Der KoefÞzient k wšchst in den ersten 2 Minuten linear von auf 1 an und berÿcksichtigt nšherungsweise, dass bei ungeschÿtzten Holzoberߊchen erst nach ungefšhr 2 Min. mit einer vollstšndigen Reduktion der Festigkeit und SteiÞgkeit des verbleidenden Restquerschnittes zu rechnen ist [26]. Die Abbrandtiefe d char wird unter der Annahme einer konstanten linearen Abbrandgeschwindigkeit β nach Tabelle 1.5 berechnet. Material β in mm/min. Vollholz aus Nadelholz (ρ 29 kg/m 3 ) oder Buche.8 Brettschichtholz aus Nadelholz (ρ 29 kg/m 3 ).7 Massives oder verleimtes Laubholz (ρ 45 kg/m 3 ) und Eiche.5 Massivholzschalungen (ρ 45 kg/m 3 ).9 Tabelle 1.5 Rechnerische Abbrandgeschwindigkeiten β o gemšss ENV Bei der Bemessungsmethode mit reduzierter Festigkeit und SteiÞgkeit (auf englisch als RSSM, Reduced Strength and Stiffness Method bezeichnet) werden die Holzeigenschaften f Þ,d und E Þ,d (Biege-, Druck-, Zugfestigkeit und E-Modul) in AbhŠngigkeit des VerhŠltnisses zwischen dem Umfang p und der FlŠche A r des verbleibenden Restquerschnittes reduziert. Die Festlegung des ModiÞkationsfaktors k mod,þ in Funktion des vom VerhŠltnis p/a r des verbleibenden Restquerschnittes erfolgte aus der Integration Ÿber den Temperaturverlauf im Querschnitt, wobei die in Versuchen von Glos [13] erhaltenen temperaturabhšngigen Festigkeiten und SteiÞgkeiten benutzt wurden [16],[17],[51]. 1.6 Brandschutztechnische Bemessung der geprÿften Decken Lignatur-Deckenelemente Die Lignatur-Deckenelemente sind industriell gefertigte Bauelemente in Zellenbauweise aus Fichtenholz. Zwei unterschiedliche Deckenelemente, Kasten- und FlŠchenelemente werden verwendet (vgl. Bild 1.7). Die Kastenelemente werden mit einer Breite von 195 mm hergestellt und mit einer doppelten Nut- und Kammverbindung zusammengefÿgt. Die maximale LŠnge betršgt 12 m. Die Standardhšhen variieren zwischen 12 und 32 mm. Die FlŠchenelemente werden standardmšssig in Breiten von 514 mm und 1 mm hergestellt und mit einer Federverbindung zusammengefÿgt. Die maximale LŠnge betršgt 12

18 Brandschutztechnische Bemessung der geprÿften Decken 16 m. Die Standardhšhen variieren zwischen 12 und 32 mm. Die Dicke der unteren und oberen Lamellen betršgt fÿr beide Deckenelemente 31 mm, die Stege der FlŠchenbzw. Kastenelemente weisen eine Dicke von 31 bzw. 27 mm auf. FlŠchenelemente Kastenelemente 31 var Bild 1.7 Lignatur FlŠchen- und Kastenelemente Die Tabelle 1.6 zeigt die Querschnittswerte des 1 mm breiten FlŠchenelementes mit einer Hšhe von 2 mm, das als Bezugselement fÿr die Bemessung bei Raumtemperatur verwendet wird. Das Eigengewicht des FlŠchenelementes wird unter der Annahme einer mittleren Rohdichte von 45 kg/m 3 berechnet. FlŠche A [mm 2 ] Stegߊche A steg [mm 2 ] Statisches Moment S [mm 3 ] TrŠgheitsmoment I [mm 4 ] Schwerpunkt von oben z s [mm] Widerstandsmoment W [mm 3 ] Eigengewicht g [kn/m] 83Õ39. 26Õ195. 2Õ988.5* * Õ816.1* Tabelle 1.6 Querschnittswerte des 1 mm breiten FlŠchenelementes mit der Hšhe von 2 mm Die HolzgŸte der Lignatur-Deckenelemente entspricht der Festigkeitsklasse FK I gemšss Norm SIA 164 [44]. Die Grundwerte der zulšssigen Spannungen und der Verformungsmasse sind in Tabelle 1.7 dargestellt. Beanspruchungsart ZulŠssige Spannungen [N/mm 2 ] Beanspruchungsart Verformungsmasse [N/mm 2 ] Biegung σ b 12 E-Modul zur Faser E 1Õ Druck zur Faser σ d 1 E-Modul zur Faser E 3 Zug zur Faser σ z 1 Schubmodul G 5 Schub τ 1.2 Torsionsmodul G T 5 Tabelle 1.7 Grundwerte der zulšssigen Spannungen und der Verformungsmasse fÿr die Festigkeitsklasse FK I gemšss Norm SIA 164 GemŠss [46] kann die Festigkeitsklasse FK I mindestens der Festigkeitsklasse C24 gemšss EN 338 [6] zugeordnet werden. Die Tabelle 1.8 zeigt die charakteristischen Festigkeitskennwerte (als 5% Fraktilwerte) bzw. SteiÞgkeitskennwerte (als Mittelwerte) fÿr die Festigkeitsklasse C24 gemšss EN

19 Einleitung Beanspruchungsart Festigkeitskennwerte [N/mm 2 ] Beanspruchungsart Bei entsprechender Bauteildimensionierung gelten die Lignatur-Deckenelemente als brandabschnittsbildende Bauteile mit dem Feuerwiderstand F3bb Deckenausbildung fÿr hšhere FeuerwiderstŠnde SteiÞgkeitskennwerte [N/mm 2 ] Biegung f m,k 24 E-Modul zur Faser E,mean 11Õ Druck zur Faser f c,,k 21 E-Modul zur Faser E 9,mean 37 Zug zur Faser f t,,k 14 Schubmodul G mean 69 Schub f v,k 2.5 Torsionsmodul G mean 69 Tabelle 1.8 Charakteristische Festigkeits- bzw. SteiÞgkeitskennwerte fÿr die Festigkeitsklasse C24 gemšss EN 338 Zwei unterschiedliche Decken wurden fÿr 6 bzw. 9 Minuten ISO-Normbrandeinwirkung konstruiert. Sie werden im folgenden als Decke REI 6 bzw. Decke REI 9 bezeichnet. Im Vergleich zum fÿr REI 3 ausgelegten Standardquerschnitt wurden die Lignatur-Elemente der Decke REI 6 mit einer verleimten doppelten unteren Lamelle mit einer gesamten Dicke von 64 mm, diejenige der Decke REI 9 mit einer verleimten dreifachen unteren Lamellen und einer gesamten Dicke von 97 mm ausgefÿhrt. Zur berprÿfung des Fugenverhaltens wurden jeweils drei verschiedene Fugenarten verwendet. Lignatur-Decke REI 6 (1:2) Lignatur-Decke REI 9 (1:2) Die Tabelle 1.9 zeigt die Querschnittswerte beider Decken. Das Eigengewicht der Dekken wird unter der Annahme einer mittleren Rohdichte von 45 kg/m 3 berechnet Bild 1.8 Querschnitte der geprÿften Lignatur-Decken REI 6 und REI 9 Decke FlŠche A [mm 2 ] Statisches Moment S [mm 3 ] TrŠgheitsmoment I [mm 4 ] Schwerpunkt von oben z s [mm] Widerstandsmoment W [mm 3 ] Eigengewicht g [kn/m] REI 6 337Õ34. 1Õ395.5*1 3 1Õ548.6* Õ9.5* REI 9 46Õ976. 1Õ654.*1 3 1Õ568.9* Õ981.* Tabelle 1.9 Querschnittswerte der Lignatur-Decken REI 6 und REI 9

20 1.6.3 Bemessung fÿr Raumtemperatur Brandschutztechnische Bemessung der geprÿften Decken Die Bemessung erfolgt gemšss Norm SIA 16 [43] und Norm SIA 164 [44]. Als Bezugselement wird das 1 mm breite FlŠchenelement mit einer Hšhe von 2 mm verwendet (vgl. Abschnitt 1.6.1). Der Bemessung wird ein BŸrogebŠude mit einer Spannweite von 7.9 m zugrundgelegt. Die mechanischen Einwirkungen ergeben sich aus stšndigen Lasten (Eigenlast, Außasten) und veršnderlichen Lasten (Nutzlasten gemšss Norm SIA 16 [43], Ziffer 4 4) wie folgt: - Eigenlast: g =.38 kn/m - Außasten: q A = 1.5 kn/m 2 - Nutzlasten: q N = 3. kn/m 2 (Kategorie B: BŸros) Der Bemessungswert der Beanspruchung gemšss Norm SIA 16 [43], Ziffer ergibt sich zu: S d = = 6.95 kn/m (1.9) Die maximalen SchnittkrŠfte ergeben sich nach folgenden Gleichungen zu: M d = = 43.6 knm (1.1) V d = = 24.6 kn (1.11) Die Tragsicherheitsnachweise gemšss Norm SIA 164 [44], Ziffer ergeben sich nach folgenden Gleichungen zu: σ eff M d = = N/mm 2 σ b = 12. N/mm 2 (1.12) 1.5 W = 6. V d S τ N/mm 2 τ = 1.2 N/mm 2 eff = = (1.13) 1.5 b I =.7 FŸr die Durchbiegungsnachweise werden die Nutzlasten in Langzeit- bzw. Kurzzeitwerte unterschieden. Die mechanischen Einwirkungen ergeben sich wie folgt: - Eigenlast: g =.38 kn/m - Außasten: q A = 1.5 kn/m 2 - Nutzlasten Langzeitwert: q N,lang = 1. kn/m 2 (Norm SIA 16, Ziffer 4 4) - Nutzlasten Kurzzeitwert: q N,kurz = 2. kn/m 2 (Norm SIA 16, Ziffer 4 4) Da die stšndigen Lasten (g+q A = = 1.88 kn/m) kleiner als 5% der Gesamtlast (g+q A +q N = = 4.88 kn/m) sind, darf gemšss DIN 152, Teil 1 [1], Ziffer 4.3 der Nachweis der langfristigen Durchbiegung ohne BerŸcksichtigung der Kriechverformungen infolge der stšndigen Lasten durchgefÿhrt werden. 15

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