Nationale brandschutztechnische Bemessung. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Institut für Stahlbau Universität Hannover. Stahlbaukalender 2001

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1 Nationale brandschutztechnische Bemessung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Institut für Stahlbau Universität Hannover Stahlbaukalender 1

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3 Nationale brandschutztechnische Bemessung Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 Brandschutzanforderungen nach Musterbauordnung 3 Die neue Muster-Industriebaurichtlinie (M IndBauRL) 3.1 llgemeines 3. ereinfachte Nachweismethode Rechenverfahren nach DIN Methoden des Brandschutzingenieurwesens6 4 Eurocode 3 Teil 1- Brandschutztechnische Bemessung von Stahlbauten llgemeines 6 4. Einwirkungen im Brandfall Thermische Einwirkungen Mechanische Lasten im Brandfall Temeraturabhängige Werkstoffkennwerte Tragwerksbemessung im Brandfall für Stahlbauten llgemeines Stahltemeraturen Nachweis auf Temeraturebene (θ cr - erfahren) Nachweis auf Tragfähigkeitsebene 17 5 Zusammenfassung und usblick 18 6 Literatur Normen und Richtlinien eröffentlichungen 7 Formelzeichen 1 8 Beisiel - Stahlträger 8.1 ufgabenstellung 8. Tragfähigkeitsnachweis bei Raumtemeratur Tragfähigkeitsnachweise im Brandfall Einwirkungen im Brandfall Berechnung der Stahltemeraturen Nachweis auf Temeraturebene (θ cr -erfahren) Nachweis auf Tragfähigkeitsebene 6 9 Beisiel - Stahlstütze ufgabenstellung 7 9. Tragfähigkeitsnachweis bei Raumtemeratur Tragfähigkeitsnachweise im Brandfall Einwirkungen im Brandfall Berechnung der Stahltemeraturen Nachweis auf Temeraturebene (θ cr -erfahren) Nachweis auf Tragfähigkeitsebene 31

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5 Nationale brandschutztechnische Bemessung 1 1 Einleitung Bei oberirdischen, offenen Parkgaragen werden keine nforderungen an den Feuerwiderstand der tragenden Bauteile gestellt. Diese erst in jüngerer Zeit bundesweit vereinheitlichte Regelungssituation findet in ihrer Fortschrittlichkeit nur in wenigen euroäischen Ländern ihre Parallelen. Die Folge ist eine eindrucksvolle Entwicklung des Marktanteils von Stahlbauten in diesem Marktsegment in den letzten Jahren. Damit wird deutlich, welche Otionen sich für den Stahlbau eröffnen, wenn es gelingt, die nforderungen an den Feuerwiderstand von Stahlbauteilen auf das sicherheitstechnisch gebotene Maß zu reduzieren und wenn möglich ungeschützte Stahlkonstruktionen im Hochbau zu verwirklichen. Feuerwiderstandsklasse F 3 und Einfamilienhäuser mit einer Wohnung, bei denen keine nforderungen gestellt werden. Die bstufung der nforderungen an den Feuerwiderstand nach der Gebäudehöhe findet sich analog auch in den Sonderbauverordnungen wieder (s. dazu Ka. ). Eine Sonderstellung nehmen in diesem Zusammenhang die Regelungen zum baulichen Brandschutz im Industriebau ein, die in diesem Jahr (1) in die Liste der Technischen Baubestimmungen aufgenommen werden (s. dazu Ka. 3). Nationale und internationale Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des baulichen Brandschutzes tragen in jüngerer Zeit Früchte in Normen und orschriften und führen zu sürbaren eränderungen auch für die brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen. Dazu gehören fraglos die Brandschutzteile der Eurocodes ( heiße Eurocodes). Sie ermöglichen besonders für den Stahlbau und den erbundbau die brandschutztechnische Bemessung auf der Basis rechnerischer Nachweisfahren. In den vergangenen Jahren wurden diese Berechnungsverfahren regelmäßig im Rahmen der Erarbeitung von Brandschutzkonzeten für Sonderbauten angewendet. Dabei wurden vielfach ungeschützte Stahlbauteile für Dachkonstruktionen von trien und großen Messe- oder Sorthallen ermöglicht; ein Beisiel zeigt Bild 1-. Bild 1-1 Parkhaus Nord, Hannover Messe ungeschützte Stahlstützen und erbundträger Diese erfreuliche Entwicklung nährt die Hoffnung der Stahlbauunternehmen, dass auch in anderen Marktsegmenten eine Reduzierung von nforderungen an den konstruktiven baulichen Brandschutz zu einer günstigeren Wettbewerbssituation führen könnte. Denn Brandschutzbekleidungen für Stahlkonstruktionen - gleich welcher Feuerwiderstandsklasse bedeuten erhebliche Mehrkosten, die in der Größenordnung der Materialkosten für den Baustahl liegen. Die Bauordnungen der Länder widmen sich in erster Linie den Gebäuden normaler rt und Nutzung. Damit sind vorrangig Wohnungsbauten gemeint. Die Regelungen zum vorbeugenden baulichen Brandschutz betreffen nforderungen an Fluchtund Rettungswege, die Begrenzung der Brandausbreitung durch räumliche Trennung und nforderungen an Baustoffe und Bauteile. on den tragenden Bauteilen wird im Grundsatz Feuerbeständigkeit gefordert, was raktisch der Feuerwiderstandsklasse F 9 entsricht. usnahmen von dieser Regel bilden Gebäude geringer Höhe (ca. drei Geschosse) mit der Bild 1- erwaltungsgebäude der dvg, Hannover ungeschütztes Stahlmodul-Dachtragwerk Nachdem das Deutsche Institut für Normung (DIN) die heißen Eurocodes im Jahr 1997 erstmalig in deutscher Srache veröffentlicht hat, sind die Normen mit den zugehörigen Nationalen nwendungsdokumenten im Jahr erschienen und werden in diesem Jahr (1) in die Liste der Technischen Baubestimmungen aufgenommen. Damit wird der Kreis der nwender dieser orschriften im bauaufsichtlichen Genehmigungsverfahren sicherlich deutlich vergrößert. Für Stahl- und Stahlverbundbauten im Hoch- und Ingenieurbau sind drei heiße Eurocodes von Bedeutung. Die Einwirkungen im Brandfall werden

6 in DIN EN [1] (kurz: EC1--) geregelt, während die Regeln zur brandschutztechnischen Tragwerksbemessung für Stahlbauten in DIN EN [] (kurz: EC3-1-) bzw. für erbundtragwerke aus Stahl und Beton in DIN EN [3] (kurz: EC4-1-) enthalten sind. Die zugehörigen Nationalen nwendungsdokumente (ND) wurden als DIN-Fachberichte veröffentlicht. lle Eurocodes zur brandschutztechnischen Bemessung sind mit den NDs in [9] zusammengefasst. Über die Brandsicherheit von erbundtragwerken auf der Basis des EC4-1- wurde von FONTN im Stahlbau-Kalender [1] ausführlich berichtet. Dieser Beitrag widmet sich daher schwerunktmäßig im Ka. 4 und in den Beisielen Ka. 8 und 9 der brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbauteilen auf der Grundlage von EC3-1-. Brandschutzanforderungen nach Musterbauordnung Der rbeitsausschuss Brandschutz hat unter dem orsitz des erfassers eine Emfehlung erarbeitet [11], die nforderungen an den Feuerwiderstand tragender Stahlbauteile ausgedrückt in Feuerwiderstandsklassen zusammenfasst. Grundlage dafür sind die Musterbauordnung (MBO) und die Muster- Sonderbauordnungen. Die Tabelle -1 gibt einen Überblick über die nforderungen. Darüber hinaus sieht der Entwurf für die zukünftige Musterbauordnung zwischen den Feuerwiderstandsklassen F 3 (feuerhemmend) für Gebäude geringer Höhe und F 9 (feuerbeständig) für sonstige Gebäude die Zwischenstufe der Feuerwiderstandsklasse F 6 B ( hochfeuerhemmend ) vor. Diese Brandschutzanforderung soll für Gebäude mittlerer Höhe, deren höchste ufenthaltsräume maximal 13, m (bezogen auf Fußboden) über Gelände liegen und deren Nutzungseinheiten in einem Geschoss nicht größer als 4 m² sind, gelten. In [11] wird auch die in der Praxis häufig gestellte Frage nach den Brandschutzanforderungen an Balkone in Stahlbauweise angesrochen. Die RGEBU hat festgestellt, dass die nforderungen der Landesbauordnungen an tragende und aussteifende Wände, Pfeiler, Stützen und Decken nicht für Balkone gelten und dass nforderungen an die Feuerwiderstandsdauer von Balkonen nicht erforderlich sind. Nationale brandschutztechnische Bemessung 3 Die neue Muster-Industriebaurichtlinie (M IndBauRL) 3.1 llgemeines In der Muster-Industriebaurichtlinie [4] werden die Mindestanforderungen an den Brandschutz von Industriebauten festgelegt. Industriebauten, die diesen nforderungen hinsichtlich der Feuerwiderstandsfähigkeit der Bauteile und der Brennbarkeit der Baustoffe, der Größe der Brandabschnitte bzw. Brandbekämfungsabschnitte, der nordnung, Lage und Länge der Rettungswege entsrechen, erfüllen die Schutzziele des 17 bs. 1 MBO. Für den Nachweis der Brandsicherheit von Industriebauten werden nunmehr drei erfahren bereitgestellt: ereinfachtes Nachweisverfahren ohne Brandlastermittlung, Nachweisverfahren mit Ermittlung der Brandlast auf Grundlage von DIN [5], Methoden des Brandschutzingenieurwesens. Die nwendung der Richtlinie setzt die Einhaltung allgemeiner nforderungen voraus bezüglich des Löschwasserbedarfs, der Lage und Zugänglichkeit des Gebäudes, der Rettungswege sowie der Treen und Treenräume, des Rauchabzugs, der Brandmelde- und Feuerlöschanlagen, der Dächer und Wände sowie den betrieblichen Maßnahmen zum Brandschutz und zur Gefahrenverhütung. In der Richtlinie werden Sicherheitskategorien K1 bis K4 zur Berücksichtigung einer Werkfeuerwehr und der in einem Brand- oder Brandbekämfungsabschnitt vorhandenen brandschutztechnischen Infrastruktur definiert: Sicherheitskategorie K1: Brandabschnitte oder Brandbekämfungsabschnitte ohne besondere Maßnahmen für Brandmeldung und Brandbekämfung. Sicherheitskategorie K: Brandabschnitte oder Brandbekämfungsabschnitte mit automatischer Brandmeldeanlage.

7 Nationale brandschutztechnische Bemessung 3 Tabelle -1. Brandschutzanforderungen an tragende und aussteifende Bauteile Gebäudety Rechtsgrundlage Brandschutzanforderung Wohngebäude und Gebäude geringer Höhe Mittel- und Großgaragen ersammlungsstätten Krankenhäuser Gaststätten Schulen erkaufsstätten Hochhäuser Gebäudehöhe 1) h < 7 m 7 m < h < m Kellergeschosse 5 () MBO F 9 F 9 Wände, Pfeiler, Stützen 5 (1) MBO F 3 keine ) F 9 Decken, Träger 5 (1) + (4) MBO F 3 3) F 9 Geschosse von Dachräumen Wände, Pfeiler, Stützen und Decken, Träger Wände, Pfeiler, Stützen 5 (1) MBO keine keine 1 (1) GarO Zeile 1a 1b 1c offene 4) geschlossene 5) F 3 F 9 B F 3 B oder 1 geschossig mehrgeschossig 16 stätto F 3 6) F 9 Decken, Träger 17 stätto F 3 7) F 9 Wände, Pfeiler, Stützen 7 (1) + () KhBau- O 1 geschossig mehrgeschossig F 3 F 9 8) Decken, Träger und Dächer 8 KhBauO F 3 F 9 Dachtragwerke KhBauO F 3 F 9 1 geschossig mehrgeschossig Wände, Pfeiler, Stützen 6 GastBauO F 3 F 9 Decken, Träger 7 GastBauO F 3 F 9 B 9) Gebäudehöhe h < 7 m 7 m < h < m Wände, Pfeiler, Stützen 5 (1) + () MBO F 3 F 9 Decken, Träger 9 (1) + () MBO F 3 F 9 1 geschossig mehrgeschossig Wände, Pfeiler, Stützen Ohne Srinkler mit Srinkler ohne Srinkler mit Srinkler 3 ko F 3 keine F 9 F 9 Decken, Träger 7 ko F 3 F 9 1) F 9 11) Dächer 1) 8 ko F3 keine F 9 Gebäudehöhe h < 6 m h > 6 m Wände und Stützen 3 (1) HochHR F 9 F 1 Decken, Träger und Dächer 4 und 5 () HochHR F 9 F 9

8 4 Nationale brandschutztechnische Bemessung nmerkungen zu Tabelle -1: 1) Die Gebäudehöhe h bezieht sich auf die Höhe des Fußbodens des obersten Geschosses über Gelände. ) usnahme für freistehende Wohngebäude mit nicht mehr als einer Wohnung, deren ufenthaltsräume in nicht mehr als zwei Geschossen liegen, sowie für freistehende Gebäude ähnlicher Größe (z.b. bis zu 3 m ) und für landwirtschaftliche Gebäude. Hinweis: Gebäude ähnlicher Größe sind z.b. kleine erwaltungsgebäude nach 51 bs. 1 Nr. 4 MBO in erbindung mit bs. Nr. 4 (Büro- und erwaltungsgebäude) und Nr. 8 (z.b. kleine bauliche nlagen und Räume, die für gewerbliche Zwecke bestimmt sind). 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 1) 11) 1) siehe nmerkungen zu ² ) bs. 3 GarO, offene Mittel- und Großgaragen sind Garagen, die unmittelbar ins freie führende, unverschließbare Öffnungen in einer Größe von insgesamt mindestens einem Drittel der Gesamtfläche der Umfassungswände haben, bei denen mindestens zwei gegenüberliegende Umfassungswände mit den ins Freie führenden Öffnungen nicht mehr als 7 m voneinander entfernt sind und bei denen eine ständige Querlüftung vorhanden ist. Offene Garagen sind auch Stelllätze mit Schutzdächern (überdachte Stelllätze). siehe nmerkung zu 4) usnahme F 3 für erdgeschossige Gebäude 17 stätto, usnahmen von den nforderungen können in erdgeschossigen ersammlungsstätten gestattet werden, wenn sie nicht mehr als 8 Personen fassen (siehe Hinweise der SB). Wände mit brennbaren Baustoffen können gestattet werden, wenn der Feuerwiderstand dieser Wände mindestens dem feuerbeständiger Wände entsricht und Bedenken wegen des Brandschutzes nicht bestehen. wenn sich darüber ufenthaltsräume befinden Öffnungen sind unzulässig, usnahme bilden nichtnotwendige Treen. Öffnungen sind zulässig zwischen erkaufsräumen, erkaufsräumen und Ladenstraßen, sowie Ladenstraßen. Bedachungen müssen mit usnahme der Dachhaut und der Damfserre aus 1 Baustoffen bestehen. Sicherheitskategorie K3: Brandabschnitte oder Brandbekämfungsabschnitte mit automatischer Brandmeldeanlage in Industriebauten mit Werkfeuerwehr. Eine weitere Unterteilung in die Kategorien K3.1 bis K3.4 erfolgt in bhängigkeit der Mannschaftsstärke der Werkfeuerwehr. Sicherheitskategorie K4: Brandabschnitte oder Brandbekämfungsabschnitte mit selbsttätiger Feuerlöschanlage. Die Forderung nach einer automatischen Brandmeldeanlage kann durch eine ständige Personalbesetzung komensiert werden, wenn eine sofortige Brandentdeckung und Meldung an die Feuerwehr gewährleistet ist. Die Sicherheitskategorien stellen eine wesentliche Eingangsgröße für die im folgenden vorgestellten Nachweismethoden dar. In diesem Beitrag wird schwerunktmäßig auf die Regelungen für erdgeschossige Industriebauten eingegangen. 3. ereinfachte Nachweismethode Der ereinfachte Nachweis nach bschnitt 6 der Richtlinie basiert auf der Einhaltung zulässiger Größen der Brandabschnittsflächen in bhängigkeit von der Sicherheitskategorie, der nzahl der Geschosse des Gebäudes und der Feuerwiderstandsklasse der tragenden und aussteifenden Bauteile. Diese ngaben sind für erdgeschossige Industriebauten in Tab. 3-1 zusammengefasst. Für solche Industriebauten der Sicherheitskategorie K4 lässt sich laut Tab. 3-1 eine maximale Brandabschnittsfläche von 1. m realisieren ohne nforderungen an den Feuerwiderstand der tragenden und aussteifenden Bauteile. Das ermöglicht den Bau ungeschützter Stahlkonstruktionen.

9 Nationale brandschutztechnische Bemessung 5 Tab. 3-1 uszug aus Tab. 1 der Muster-Industriebaurichtlinie [4], zulässige Größe der Brandabschnittsflächen für erdgeschossige Industriebauten in m K 1 Sicherheitskategorie Ohne besondere Maßnahmen für Brandmeldung und Brandbekämfung Feuerwiderstandsklasse der tragenden und aussteifenden Bauteile ohne nforderung F ) 3 K mit automatischer Brandmeldeanlage 7 1) 45 K 3.1 K 3. K 3.3 K 3.4 mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr in mindestens Staffelstärke mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr in mindestens Gruenstärke mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr mit mindestens zwei Staffeln mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr mit mindestens drei Staffeln 3 1) ) 6 4 1) ) 75 1) K 4 mit selbsttätiger Löschanlage 1 1 Breite des Industriebaus 4 m und Wärmeabzugsfläche (nach DIN 183-1) 5% der Brandabschnittsfläche 3.3 Rechenverfahren nach DIN Für Industriebauten, die nicht nach dem vereinfachten erfahren (siehe Tab. 3-1) beurteilt werden können, kann basierend auf einer Brandlastermittlung das Berechnungsverfahren der DIN angewendet werden. Mit diesem erfahren wird zunächst die äquivalente Branddauer t ä berechnet. Mit der äquivalenten Branddauer t ä wird ein Zusammenhang zwischen der Brandwirkung eines Naturbrandes und der Einheits-Temeraturzeitkurve (ETK) nach DIN 41- [6] hergestellt wobei sich die Äquivalenz auf die maximale Bauteiltemeratur unter Naturbrand bezieht. ls äquivalente Branddauer ist diejenige Zeitdauer definiert nach der ein Bauteil unter ETK-Beflammung die Temeratur erreicht, die es in einem Naturbrandereignis maximal erreichen würde. Dieser Zusammenhang ist in Bild 3-1 dargestellt. Bei der Berechnung der äquivalenten Branddauer nach DIN werden die Höhe der Brandlast, die thermischen Eigenschaften der Umfassungsbauteile sowie die entilationsverhältnisse berücksichtigt. Sie ergibt sich gemäß Gl. (3-1). t ä = q R c w [ min] (3-1) mit Θ [ o C] Naturbrand t ä ETK max Θ im Bauteil Branddauer t [min] Bild 3-1 Ermittlung der äquivalenten Branddauer aus dem ergleich der Bauteiltemeraturverläufe unter Naturbrand und unter ETK q R rechnerische Brandbelastung [kwh/m ] c Umrechnungsfaktor zur Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften der Umfassungsbauteile [minm /kwh] w Wärmeabzugsfaktor zur Berücksichtigung der entilationsverhältnisse [-] Unter Berücksichtigung der so ermittelten äquivalenten Branddauer und der Sicherheitskategorie

10 6 können aus Tab. 3- die zulässigen Größen von Brandbekämfungsabschnitten entnommen werden, für die bei erdgeschossigen Industriebauten die tragenden und aussteifenden Bauteile ohne nforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit ausgeführt werden dürfen. Hierbei sind die erforderlichen Mindestgrößen der Wärmeabzugsflächen im Dach sowie die zulässigen Breiten des Industriebaus zu beachten. Gemäß Tab. 3- sind bei erdgeschossigen Industriebauten Brandbekämfungsabschnitte mit einer Fläche von bis zu 3. m ohne nforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit der tragenden und aussteifenden Bauteile zulässig, wenn die äquivalente Branddauer 15 Minuten nicht übersteigt. Das ist regelmäßig mit entsrechend kleinen Brandbelastungen verbunden. Wird zusätzlich zur äquivalenten Branddauer die erforderliche Feuerwiderstandsdauer t F berechnet, können sich Flächen ergeben, die erheblich größer sind, als die in Tab. 3- angegeben. Günstigstenfalls kann bei usführung der tragenden und aussteifenden Bauteile in der erforderlichen Feuerwiderstandsklasse, eine zulässige Größe des Brandbekämfungsabschnitts von bis zu 6. m erreicht werden. Die Berechnung von t F aus t ä erfolgt nach Gl. (3-) unter Berücksichtigung der Brandsicherheitsklasse, mit der die brandschutztechnische Bedeutung eines Bauteils erfasst wird und der vorhandenen brandschutztechnischen Infrastruktur. erf t F = t ä γ αl [min] (3-) mit γ [ ] ( γ > 1) Sicherheitsbeiwert für die Brandsicherheitsklasse SK b 3, wird für SK b und SK b 1 ersetzt durch δ α L [ ] ( α > 1) Zusatzbeiwert zur Berücksichtigung des günstigen Einflusses der brandschutztechnischen Infrastruktur Der rechnerisch erforderlichen Feuerwiderstandsdauer erf t F ist dann die für die Bauteile einzuhaltende Feuerwiderstandsklasse nach DIN 41- wie folgt zuzuordnen: min < erf t F 15 min keine nforderungen 15 min < erf t F 3 min F 3 3 min < erf t F 6 min F 6 6 min < erf t F F 9 Das vorgestellte Berechnungsverfahren darf nicht angewendet werden, wenn sich für die Brandsicherheitsklasse SK b 3 eine höhere rechnerisch erforderliche Feuerwiderstandsdauer als 9 Minuten ergibt. Die zulässigen Flächen der Brandbekämfungsabschnitte werden nach Gl. (3-3) berechnet: Nationale brandschutztechnische Bemessung zul G,BB = 3 m F1 F F3 F4 F5 [m ] (3-3) In den Faktoren F1 bis F5 werden dabei folgende Einflussgrößen berücksichtigt: 1. äquivalente Branddauer aus dem globalen Nachweis nach DIN brandschutztechnische Infrastruktur 3. Höhenlage des Fußbodens des untersten Geschosses von oberirdischen Brandbekämfungsabschnitten 4. nzahl der Geschosse des Brandbekämfungsabschnitts 5. usführung der Öffnungen in den Geschossdecken mehrgeschossiger Brandbekämfungsabschnitte Die Summe der so ermittelten Geschossflächen darf nicht mehr als 6. m betragen. Durch Einhaltung zusätzlicher Randbedingungen sind bei erdgeschossigen Industriebauten jedoch Flächengrößen bis maximal 1. m zulässig. 3.4 Methoden des Brandschutzingenieurwesens Der Nachweis zur Einhaltung der Schutzziele der Musterbauordnung (MBO) darf alternativ zu den in Ka. 3. und 3.3 vorgestellten erfahren mit Methoden des Brandschutzingenieurwesens erbracht werden. Zu deren nwendung sind im normativen nhang der Muster-Industriebaurichtlinie die Grundsätze und oraussetzungen für die Nachweisführung sowie deren Dokumentation geregelt. 4 Eurocode 3 Teil 1- Brandschutztechnische Bemessung von Stahlbauten 4.1 llgemeines Die grundlegenden Änderungen der heißen Eurocodes gegenüber den bisherigen nationalen Regelungen sind zum einen das neue Sicherheitskonzet (Teilsicherheitsbeiwerte) und zum zweiten die Tatsache, dass brandschutztechnische Nachweise auf rechnerischem Wege geführt werden können. Das Konzet der Teilsicherheitsbeiwerte führt zu einer

11 Nationale brandschutztechnische Bemessung 7 Tabelle. 3- Zulässige Größe der Flächen von Brandbekämfungsabschnitten erdgeschossiger Industriebauten ohne nforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit der tragenden und aussteifenden Bauteile in m Sicherheitskategorie äquivalente Branddauer t ä in Minuten K 1 ohne besondere Maßnahmen für Brandmeldung und Brandbekämfung K mit automatischer Brandmeldeanlage K 3.1 Mit automatischer Brandmeldeanlage und mit Werkfeuerwehr in mindestens Staffelstärke K 3. K 3.3 K 3.4 mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr mit mindestens Gruenstärke mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr mit mindestens zwei Staffeln mit automatischer Brandmeldeanlage und Werkfeuerwehr mit mindestens drei Staffeln K 4 mit selbsttätiger Löschanlage Mindestgröße der Wärmeabzugsflächen im Dach in % nach DIN ) 1) 3 1) 4 1) Zulässige Breite des Industriebaus in m 8 ) 6 ) 5 ) 4 ) Zwischenwerte dürfen linear interoliert werden. 1) Für Industriebauten der Sicherheitskategorie K 4 gilt die Mindest-Wärmeabzugsfläche von,5%. ) Für Industriebauten der Sicherheitskategorie K 4 gibt es keine Begrenzung der zulässigen Breite. Reduzierung der mechanischen Lasten im Brandfall gegenüber den bisherigen Prüfbedingungen (s. dazu Ka. 4..). Durch die Möglichkeit, Rechenverfahren anzuwenden, wird im Gegensatz zum bisherigen Klassifizierungssystem auf rein exerimenteller Basis ein regelrechter Nachweis analog zu den Standsicherheitsnachweisen der statischen Berechnung möglich. Die heißen Eurocodes für den konstruktiven Ingenieurbau behandeln die assiven Brandschutzmaßnahmen im Hinblick auf die Bemessung und Konstruktion von Tragwerken und Tragwerksteilen für eine angemessene Tragfähigkeit im Brandfall und ggfs. für die Begrenzung der Brandausbreitung. Die heißen Eurocodes befassen sich hautsächlich - nicht ausschließlich - mit der Bemessung für den Feuerwiderstand unter Normbrandbedingungen. on tragenden Bauteilen wird gefordert, dass ihre Tragfähigkeit im Brandfall unter den Bemessungslasten (s. dazu Ka. 4..) für eine anforderungsgemäße Branddauer aufrechterhalten bleibt. Dieses Traglast-Kriterium wird in den heißen Eurocodes entsrechend der Feuerwiderstandsdauer unter Normbrandbedingungen durch die Klassen R 3, R 6, R 9, R 1, R 18 und R 4 ausgedrückt. In dem Entwurf zum Einführungserlass (9/) werden die Begriffe der nationalen Bauordnungen den Klassen nach Eurocodes gemäß Tabelle 4-1 zugeordnet.

12 8 Nationale brandschutztechnische Bemessung Tabelle 4-1. Zuordnung der Feuerwiderstandsklassen nach Eurocode zu den Feuerwiderstandsklassen nach DIN 41- bzw. den bauaufsichtlichen nforderungen Bauaufsichtliche nforderung Tragende Bauteile ohne Raumabschluss Tragende Bauteile mit Raumabschluss Nichttragende Innenwände feuerhemmend R 3 F 3 REI 3 F 3 EI 3 F 3 feuerbeständig R 9 F 9 REI 9 F 9 EI 9 F 9 Brandwand - REI-M 9 EI-M 9 Es bedeuten: R Tragfähigkeit, E Raumabschluss, I Wärmedämmung, M - Widerstand gegen mechanische Beansruchung llgemein stehen für den Nachweis des Feuerwiderstands tragender Bauteile neben dem Brandversuch folgende Nachweisebenen zur erfügung : Ebene 1 Klassifizierung der Bauteile mit Hilfe von Tabellen (entsricht dem erfahren nach DIN 41-4 [7]) Ebene Nachweis mit vereinfachten Berechnungsverfahren Diese Nachweisform geht von geeigneten vereinfachten und vereinfachenden nnahmen aus. Z.B. wird bei Stahlquerschnitten eine über den Querschnitt konstante Temeratur angenommen. Ebene 3 Nachweis mit allgemeinen Berechnungsverfahren Dieser Nachweis beinhaltet die vollständige thermische und mechanische nalyse in einem numerischen Simulationsmodell. Diese Nachweismethode darf nach EC3-1- auf Bauteile, Tragwerksteile und Gesamtkonstruktionen angewendet werden. Der Berechnungsaufwand steigt von Ebene 1 nach Ebene 3. Das Konzet der drei Nachweisstufen ist so angelegt, dass das Bemessungsergebnis umso konservativer ausfällt, je einfacher das gewählte Nachweisverfahren ist, ggfs. auch um den Preis geringerer Wirtschaftlichkeit. Im EC3-1- sind keine Tabellen für klassifizierte Stahlbauteile (Ebene 1) enthalten. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass Brandschutzbekleidungen und beschichtungen für Stahlbauteile Produkte sind, die exklusiv für die Hersteller auf dem Wege der Zulassung auf den Markt kommen und deshalb häufig nicht genormt sind. Nach uffassung der Fachkommission Bautechnik soll das Nachweisverfahren der Ebene 3 nur im Rahmen der Zustimmung im Einzelfall anwendbar werden. Die Grundlagen für dieses Nachweisverfahren sind im EC3-1- definiert. In diesem Beitrag werden daher schwerunktmäßig die Nachweise auf der Ebene behandelt. 4. Einwirkungen im Brandfall 4..1 Thermische Einwirkungen Die thermischen Einwirkungen auf Bauteile während eines Brandes werden gemäß EC1-- durch Brandgastemeratur-Zeitkurven definiert. Diese werden entweder als nominelle Temeraturzeitkurven, wie z.b. die aus den Brandversuchen nach DIN 41- [6] bekannte Einheits- Temeraturzeitkurve (s.gl. 4-1 und Bild 4-1), angenommen oder aus den rojektsezifischen hysikalischen Parametern des Gebäudes - wie Brandbelastung, entilationsbedingungen und Wärmedämmung der Umfassungsbauteile - berechnet. Letztere Temeraturverläufe, sogenannte Naturbrandkurven, entsrechen eher den erhältnissen bei realen Bränden. Zur Zeit sind national im bauaufsichtlichen Genehmigungsverfahren Naturbrandkurven nicht allgemein zugelassen. Daher beziehen sich die nachfolgenden usführungen auf thermische Einwirkungen nach Normbrandkurve (ETK): θ = + 345log1 (8t + 1) [ C]; t [min] (4-1) g 4.. Mechanische Lasten im Brandfall Im Brandfall gelten die Kombinationsregeln für aussergewöhnliche Einwirkungen gemäß EC1--: Sd = S[ γ G G k + d + ψ1,1 Qk,1 + ( ψ,i Qk, i )] (4-) Dabei ist für den Teilsicherheitsbeiwert für ständige Einwirkungen in der außergewöhnlichen Situation γ G = 1, zu setzen. Die Kombinationsbeiwerte ψ 1 und ψ für die veränderlichen Lasten ergeben sich aus Tabelle 4-.

13 Nationale brandschutztechnische Bemessung 9 θ g [ o C] Branddauer in min Bild 4-1 Einheits-Temeraturzeitkurve (ETK) Der Bemessungswert der Einwirkungen im Brandfall E fi,d,t darf vereinfachend aus dem entsrechenden Wert aus der Bemessung bei Normaltemeratur ermittelt werden: E = η E (4-3) fi,d,t fi d Tab. 4-: Kombinationsbeiwerte gemäß [1] Einwirkung ψ ψ 1 ψ erkehrslast auf Decken - Wohnräume; Büroräume; erkaufsräume bis 5m ; Flure, Balkone und Räume in Krankenhäusern - ersammlungsräume, Garagen und Parkhäuser; Tribünen; Flure in Lehrgebäuden; Büchereien; rchive - usstellungs- und erkaufsräume;,7,8,8,5,8,8,3,5,8 Geschäfts- und Wa- renhäuser Windlasten,6,5, Schneelasten,7,, alle anderen Einwirkungen,8,7,5 Besteht die gesamte Einwirkung aus einer ständigen und einer führenden veränderlichen Einwirkung, ergibt sich aus Gl. (4-): Qk,1 Efi,d,t = γ G G k + ψ1,1 Qk,1 mitξ = G k = G k ( γ G + ψ1,1 ξ) = G k ( 1, + ψ1,1 ξ) (4-4) Für die Kaltbemessung gilt: Qk,1 Ed = γ G Gk + γ Q Qk,1 mitξ = Gk (4-5) = G γ + γ ξ = G 1,35 + 1,5 ξ k ( ) ( ) G Q k Daraus ergibt sich der Reduktionsfaktor in bhängigkeit von ξ und ψ 1,1 zu (s. Bild 4-): η fi = E G = G ( 1, + ψ ξ) 1, + ψ = Efi,d,t k 1,1 1, 1 d k ξ ( 1,35 + 1,5 ξ) 1,35 + 1,5 ξ (4-6) Für hochbauübliche Lastzusammensetzungen darf nach dem ND im Stahlbau auschal η fi =,65 eingesetzt werden, wenn die Einwirkungen nicht genauer ermittelt werden.,8,7,6,5,4 η fi η fi = (γ G + ψ 1,1 ξ) / (γ G + γ Q ξ) mit γ G = 1,; γ G = 1,35; γ Q = 1,5 ψ 1,1 =,5 ψ 1,1 =,8,,5 1, 1,5,,5 3, ξ = Q k1 /G k Bild 4- Reduktionsfaktor η fi in bhängigkeit vom erhältnis erkehrslast zu ständiger Last 4.3 Temeraturabhängige Werkstoffkennwerte Wichtige Grundlage für die Berechnungsverfahren ist, dass im EC3-1- die Berechnungsansätze für die Temeraturabhängigkeit der Werkstoffkennwerte festgelegt wurden. Dabei sind mechanische Kennwerte wie Sannungs-Dehnungsbeziehungen (σ-ε- Linien) und thermische Dehnungen ε th als auch thermische Kennwerte wie Wärmeleitfähigkeit, sez. Wärme c und Dichte ρ erfasst. Diese Werkstoffkennwerte des Baustahls werden als Rechenwertfunktionen angegeben. In diesem Beitrag werden die für die Nachweisebene relevanten Werkstoffkennwerte wiedergegeben.

14 1 Nationale brandschutztechnische Bemessung Reduktionsfaktoren k θ 1,,8 Streckgrenze k y,θ =f y,θ /f y,6,4,, Elastizitätsmodul k E,θ =E a,θ /E a Stahltemeratur [ o C] Bild 4-3 bhängigkeit der Streckgrenze und des Elastizitätsmoduls von der Temeratur Der Werkstoff-Teilsicherheitsbeiwert γ m,fi darf im Brandfall bei der Berechnung der Beansruchbarkeiten zu 1, angenommen werden. In den Bildern 4-4 bzw. 4-5 sind die sezifische Wärme c a und die Wärmeleitfähigkeit a von Baustahl in bhängigkeit von der Stahltemeratur angegeben. Bild 4-4 Sezifische Wärme von Stahl als Funktion der Temeratur Bild 4-5 Wärmeleitfähigkeit von Stahl als Funktion der Temeratur Wenn nforderungen zum Brandschutz zu erfüllen sind, werden Brandschutzmaßnahmen im Stahlbau in der Regel durch Bekleidungen und Beschichtungen nachträglich aliziert. Sie unterliegen traditionell Zulassungen durch Prüfung in autorisierten Prüfanstalten. Die ngaben der Hersteller sind daher exklusiv für ihr Produkt und beziehen sich meist auf Mindestdicken zugeordnet zu den Feuerwiderstandsklassen gemäß Normbrandversuch. Daher ist auch verständlich, dass im EC3-1- keine Materialkennwerte für Bekleidungen oder Beschichtungen geregelt werden, sondern auf diesbezügliche Prüfvorschriften verwiesen wird. Die Folge davon ist, dass für die Berechnung der Erwärmungskurven geschützter Stahlbauteile wesentliche Parameter fehlen. Die deutsche Bauaufsicht hat diesen Mangel erkannt und hat, wenigstens für die bisher nach DIN 41-4 geregelten Brandschutzmaterialien, entsrechende ngaben im ND (s. Tab. 4-3) niedergelegt. Weitere ngaben der Tabelle 4-3 sind [1, 13] entnommen. uf die Hersteller kommt die ufgabe zu, solche Materialkennwerte aus vorhandenen oder neuen Prüfergebnissen zu ermitteln und bereitzustellen. Das erfahren für die Ermittlung ist auf euroäischer Ebene bereits beschrieben [14].

15 Nationale brandschutztechnische Bemessung 11 Tab. 4-3: Thermische Materialkennwerte von Brandschutzbekleidungen Brandschutzmaterial Wärmeleitfähigkeit Sezifische Dichte Wärme ρ c [kg/m³] Genormte Materialien nach ND [] Putze Mörtelgrue P II, P I a,b,c nach DIN 1855 Teil ermiculite- und Perlitemörtel nach DIN 41 Teil 4 bschn Platten Giskarton-Feuerschutzlatten (GKF) nach DIN 1818 [W/(m. K)] [J/(kg. K)] Wassergehalt [%], , , Zugelassene Materialien Platten Ridurit [1], nach Literaturangaben [13] Sritzutze Mineralfaser, ermiculite, Perlite, Sezialutze ermiculite (od. Perlite) und Zement, ermiculite (od. Perlite) und Gis, Platten ermiculite (od. Perlite) und Zement, Faser-Silikate oder Faser-Calcium-, Silikate Faser-Zement, Giskarton, 17 8 Matten Faser-Silikate, Mineralwolle, Steinwolle, 1 15 Beton 1, Leichtbeton, Betonsteine 1, 1 8 Isolierbacksteine, Backsteine 1, Tragwerksbemessung im Brandfall für Stahlbauten llgemeines Wenn laut Bauordnungen oder Sonderbauordnungen nforderungen an den Feuerwiderstand von Stahlbauteilen gestellt werden (s. dazu Ka. und 3), so wird der Feuerwiderstand durch direkt am Bauteil angebrachte Brandschutzmaßnahmen oder durch bschirmung, z.b. bei Trägern in Form von Unterdecken, erreicht. Diese Produkte sind entweder nach DIN 41-4 klassifiziert oder sie bedürfen einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung, eines allgemeinen bauaufsichtlichen Prüfzeugnisses oder einer Zustimmung im Einzelfall. Zu den direkt am Stahlbauteil wirkenden Brandschutzmaßnahmen gehören dämmschichtbildende nstriche (DSB), lattenförmige Bekleidungen und Putze. Während dämmschichtbildende nstriche lediglich bei geringeren nforderungen bis etwa R 6 zur nwendung kommen, können mit lattenförmigen Bekleidungen und Putzen leicht Feuerwiderstands-

16 1 klassen bis R 1 erreicht werden. In Deutschland liegen die Kosten für diese Brandschutzmaßnahmen für übliche Hochbaukonstruktionen leider in der Größenordnung der Kosten für den Baustahl. Dabei ist der Grad der nforderung, ob R 3 oder R 9, im Hinblick auf die Kosten nicht ausschlaggebend. Die bisherige Praxis trennt die Dimensionierung von Stahlbauteilen auf der Basis der statischen Berechnung unter normalen Temeraturbedingungen weitgehend von der brandschutztechnischen uslegung. Das übliche erfahren ist, die Brandschutzmaßnahmen erst dann zu lanen, wenn die Konstruktion festgelegt ist. Ziel dieser Planungsaufgabe ist es, die rt der Brandschutzmaßnahme (DSB, Platten oder Putz) und deren erforderliche Mindestdicke festzulegen. Dabei gehen neben der Funktion des Bauteils, ob Träger oder Stütze, als wesentliche Eingangsgrößen die erforderliche Feuerwiderstandsklasse sowie der Profilfaktor ein (s. Tab. 4-4). Das bisherige orgehen sieht vor, dass die erforderliche Mindestdicke für das jeweils gewählte Brandschutzmaterial nach der Ermittlung des Profilfaktors lediglich noch von der gewünschten Feuerwiderstandsklasse abhängig ist. Die Mindestdicken der Materialien sind in geringer Zahl in DIN 41-4 meist jedoch in den Herstellerrosekten auf der Basis von Zulassungen angegeben. Basis dieser Werte ist der Normbrandversuch nach DIN 41-. Dazu gehört bei Stützen ab der Feuerwiderstandsklasse F 9 auch der sogenannte Löschwasserversuch, der in den zukünftigen euroäischen Prüfnormen entfallen wird. Damit ist zukünftig mit Erleichterungen bei Brandschutzbekleidungen für Stützen zu rechnen. In EC3-1- stehen für den Nachweis des Feuerwiderstands tragender Stahlbauteile (Träger und Stützen) auf der Ebene folgende erfahren zur erfügung: ereinfachte Berechnungsverfahren auf Temeraturebene oder auf Tragfähigkeitsebene. Beim Nachweis auf Temeraturebene, dem θ cr - erfahren, wird gezeigt, dass die höchste im Brandfall auftretende Stahltemeratur θ a,max unterhalb der kritischen Stahltemeratur θ cr bleibt. Die kritische Stahltemeratur θ cr ist die Temeratur, bei der der Bauteilwiderstand gerade noch so groß ist wie die Beansruchung infolge mechanischer Lasten. θ a,max θ cr (4-7) Beim Nachweis auf Tragfähigkeitsebene wird, dem neuen Bemessungskonzet der Eurocodes folgend, im Brandfall der Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit geführt: E fi,d,t R fi,d,t (4-8) mit E fi,d,t Bemessungswert der Einwirkungen im Nationale brandschutztechnische Bemessung Brandfall R fi,d,t Bemessungswert der Beansruchbarkeit im Brandfall 4.4. Stahltemeraturen Die Erwärmung von Stahlbauteilen unter Brandbeansruchung wird maßgeblich von der Massigkeit bestimmt. Je massiger ein Stahlbauteil ist, desto mehr Energie kann geseichert werden, was bei gleicher Oberfläche niedrigere Stahltemeraturen bewirkt. Die Massigkeit wird durch den sogenannten Profilfaktor ausgedrückt. Der Profilfaktor m / (ungeschützt) bzw. / (bekleidet) ist nach EC3-1- als erhältnis von brandbeansruchter Oberfläche m zum olumen des Stahlbauteiles ro Längeneinheit definiert. Für Bauteile mit über der Länge gleichbleibendem Querschnitt ist der Profilfaktor identisch mit dem Wert U/ nach DIN Beisiele für die Ermittlung des Profilfaktors bei I-Profilen zeigt Tabelle 4-4. In den Tabellen 4-5a und b sind die Profilfaktoren m / ungeschützter Walzrofile für drei- und vierseitige Brandbeansruchung wiedergegeben. Bei rofilfolgender Bekleidung sind die Profilfaktoren / identisch mit m /. Tabelle 4-4: Ermittlung des Profilfaktors Brandbean- rt der Bekleidung sruchung dreiseitig rofilfolgend kastenförmig Profilfaktor = allseitig Profilfaktor = Mantelfläche - b rofilfolgend Mantelfläche - b h + b kastenförmig h + b

17 Nationale brandschutztechnische Bemessung 13 Tab. 4-5a Profilfaktoren ungeschützter Stahlrofile m / [m -1 ] für 3- und 4-seitige Beflammung HE- HE- HE-B HE-M h Tab. 4-5b Profilfaktoren ungeschützter Stahlrofile m / [m -1 ] für 3- und 4-seitige Beflammung IPE IPE a IPE o IPE v h m θa,t = h net t [ o C] (4-9) c a ρ a berechnen. Bei der numerischen Lösung sollten die Zeitinkremente t nicht größer als 5 Sekunden sein. Der Wärmestrom setzt sich aus dem nteil aus Konvektion h net,c mit = α c ( θ θ ) g a [W/m ] (4-1) α = 5 W c m K (4-11) und Strahlung 4 {( θ + 73) ( θ ) } 4 h net,r = Φ ε res σ g a + 73 [W/m ] (4-1) mit Φ =1 Konfigurationsfaktor [-] ε res =,5 result. Emissionswert [-] σ Stefan-Boltzmann-Konstante [W/m²k 4 ] = 5, zusammen: h net = h net,c + h net,r. (4-13) Die Gastemeratur θ g im Brandraum folgt der ETK nach Gl Die numerische Lösungsfunktion der Gl. 4-9 zeigt Bild 4-6 für verschieden massige Stahlquerschnitte. Es wird deutlich, dass unter der ETK- Beansruchung lediglich massige, ungeschützte Stahlbauteile so langsam erwärmt werden, dass die Stahltemeraturen bis zu 3 Minuten Branddauer unterhalb der ersagenstemeraturen bleiben. Für ungeschützte Stahlbauteile hat der erfasser in [15] Näherungsformeln veröffentlicht, mit denen die Temeraturen in bhängigkeit von der Branddauer und dem Profilfaktor unter ETK schnell errechnet werden können (s. Tab. 4-6). Diese Kurven sind insbesondere für geringe Brandbelastungen mit äquivalenten Branddauern bis 3 min nützlich. Der Temeraturanstieg im Zeitinkrement t ungeschützter Stahlbauteile lässt sich gemäß EC3-1- nach der Gleichung

18 14 θ a [ o C] m / in m -1 3 ETK Branddauer [min] Bild 4-6 Erwärmungskurven ungeschützter Stahlquerschnitte unter Einheits-Temeraturzeitkurve; Kurvenarameter: Profilfaktor m / [m -1 ] Der Temeraturanstieg im Zeitinkrement t bekleideter Stahlbauteile lässt sich gemäß EC3-1- nach der Gleichung 1 θg,t θ φ a,t 1 θa,t = t e 1 θ d c φ a ρa 1+ 3 [ o C] (4-14) mit c ρ φ = d (4-15) ca ρa berechnen. Bei der numerischen Lösung sollten die Zeitinkremente t nicht größer als 3 Sekunden sein. Die Gl. (4-14) enthält so viele, teils temeraturabhängige, Parameter, dass eine übersichtliche Darstellung der Lösungsfunktion wie bei den ungeschützten Querschnitten in Bild 4-6 nicht ohne weiteres möglich ist. Wird jedoch die Energieaufnahme in der Bekleidung vernachlässigt, so wird mit φ = Gl. (4-14) zu θg,t θa,t θa,t = t (4-16) d c a ρ a Gl kann für verschienene erhältnisse von d numerisch gelöst und grahisch dargestellt werden (s. Bild 4-8). Physikalisch ist diese Näherung sinnvoll bei massigen Querschnitten (kleiner Profilfaktor) und kleinen Bekleidungsdicken. Diese nnahme wurde auch bei der Darstellung der Euro-Nomogramme in [13] getroffen. Bei filigranen Stahlquerschnitten (hoher Profilfaktor) und dickerer Bekleidung führt diese g,t Nationale brandschutztechnische Bemessung Näherung zu sehr konservativen Ergebnissen, d.h., die Stahltemeraturen sind deutlich zu hoch. Das folgende Beisiel soll diesen Effekt aufzeigen (s. Bild 4-7). Profilfaktor P /=5m -1 Bekleidung Ridurit (s. Tab. 4-3); d =3cm, W = 5 = 17 3 d,3 m K θ a, θ g [ o C] 1 1 d W = 17 3 m K ETK Euro-Nomogramm φ = korr. EC Branddauer [min] Bild 4-7 Erwärmungskurven eines bekleideten Stahlquerschnittes nach EC3-1-, Euro- Nomogramm und korrigiertem Euro-Nomogramm Bild 4-7 zeigt als unterste Erwärmungskurve die richtige Lösung nach Gl (EC3-1-) und als oberste Erwärmungskurve die Lösung nach Gl (Euro-Nomogramm, φ = ). Es ist zu erkennen, dass mit der nnahme φ = die Stahltemeraturen bei 9 min Branddauer etwa um o C überschätzt werden. In [13] wird ein orgehen gezeigt, die Lösung nach Gl zu verbessern. Dafür wird der Kurvenarameter mit einem Faktor multili- 1 d 1+ φ ziert. Dabei werden in φ nach Gl alle Werkstoffarameter als Konstante, d.h. unabhängig von der Temeratur eingesetzt. Für das Beisiel ergibt sich: c ρ φ = d c ρ a a 17 9 =,3 5 =, d 1+ φ 1 W = 17 = ,44 m K

19 Nationale brandschutztechnische Bemessung 15 Mit diesem korrigierten Kurvenarameter ergibt sich eine Erwärmungskurve in Bild 4-7 (Euro- Nomogramm, korrigiert), die im Bereich von 9min Branddauer das Ergebnis nach Gl sehr genau trifft. Bei niedrigeren Branddauern sind die Stahltemeraturen jedoch zu hoch. Erstmals werden vom erfasser in diesem Beitrag analytische Funktionen für die Lösung der Gl angegeben (s. Tab. 4-6 und Bild 4-8). Diese Erwärmungskurven entsrechen den in [13] (Euro- Nomogramm) grahisch dargestellten Kurven. θ a [ C ] [ ] m m d W 3 m K 1 ungeschützt bekleidet Branddauer [min] Bild 4-8 Erwärmungsfunktionen von Stahlbauteilen als Funktion der Branddauer [min] unter Einheits- Temeraturzeitkurve (Näherungsfunktionen)

20 16 Nationale brandschutztechnische Bemessung Tabelle 4-6: Erwärmungsfunktionen von Stahlbauteilen als Funktion der Branddauer t [min] unter Einheits-Temeraturzeitkurve (Näherungsfunktionen) llgemeiner nsatz: 4 4 c c 3 1 a,t t c t c c c + + = θ [ C]; mit t in min Ungeschützter Stahlbauteile Kurvenarameter: Profilfaktor m [m -1 ] bekleidete Stahlbauteile Kurvenarameter: K m W d 3 c 1 = C c = 13 1, m 1578,7517 d 4787 für: 1 d 4,933 d für: 4 < d c 3 = + ln 1,896,3 1 m 41,87 d ln 86,3 für: 1 d ,3 d, für: 4 < d für 15 < d c 4 = + ln,69 1,48 m + + 1,68,19 1, , d d d Gültigkeitsgrenzen: Kurvenarameter: 5 m -1 m / 3 m -1 K m W d K m W Branddauer: t 3 min t 1 min Stahltemeratur: θ a 7 C

21 Nationale brandschutztechnische Bemessung Nachweis auf Temeraturebene (θ cr -erfahren) Beim θ cr -erfahren wird nachgewiesen, dass die unter Ka errechneten Stahltemeraturen, die für eine geforderte Feuerwiderstandsdauer (R- Klasse) oder für eine äquivalente Branddauer ermittelt wurden, unterhalb den kritischen Stahltemeraturen bleiben. Letztere können in bhängigkeit vom usnutzungsgrad nach Gl 4-17 (s. Bild 4-9) einfach bestimmt werden. 1 θ a,cr = 39,19 ln , 833,9674 µ [ o C] (4-17) Der usnutzungsgrad ergibt sich aus dem erhältnis von Einwirkungen und Tragwiderstand zu Beginn der Brandbelastung (t=): Efi,d ηfi ηfi µ = = = (4-18) R fi,d,t= γ M, C 1,1 uf der sicheren Seite liegend darf dieser usnutzungsgrad mit η fi =,65 (s. Ka. 4..) zu µ =,59 angesetzt werden. Dabei ergibt sich eine kritische Stahltemeratur von 557 C. µ 1,,9,8,7,6,5,4,3,,1, E = R fi,d fi,d,t= µ =,65 1,1 557 θ a,cr [ o C] wird jedoch berücksichtigt, dass sich Streckgrenze und Elastizitätsmodul infolge der erhöhten Temeraturen verringert haben. Maßgeblich ist wie beim θ cr -erfahren die Bemessungs-Stahltemeratur nach Ka. 4.4., die homogen über den Querschnitt und über die Stablängsachse angenommen wird. Diese nnahme liegt in bestimmten Fällen, z.b. beim Träger mit aufliegender Betonlatte, auf der sicheren Seite. ereinfachend darf hier die Tragfähigkeit im Brandfall unter Berücksichtigung eines nassungsfaktors κ (s. Tab. 4-7) ermittelt werden. Im Folgenden wird am Beisiel des Nachweises für zentrisch gedrückte Stützen die Tragfähigkeit unter der Bemessungs-Stahltemeratur θ a,max angegeben: χfi N b,fi,t,rd = N l, θa,max,rd κ( = 1,) (4-19) χ fay, C k fi y, θa,max = 1, γ ( = 1,) M,fi Bild 4-9 Kritische Stahltemeraturen in bhängigkeit vom usnutzungsgrad µ Nachweis auf Tragfähigkeitsebene Der Nachweis auf Tragfähigkeitsebene erfolgt analog den Nachweisverfahren bei Raumtemeratur. Es

22 18 Nationale brandschutztechnische Bemessung Tab. 4-7: nassungsfaktoren κ=κ 1 κ nach EC3-1- Bauteil Statisches System Beflammung nassungsfaktor κ Träger Einfeldträger allseitig 1, (statisch bestimmt) dreiseitig mit Beton- oder erbunddeckenlatte 1,*) statisch unbestimmte allseitig,8 Träger dreiseitig mit Beton- oder erbunddeckenlatte Stützen alle Lagerungsbedingungen llseitig 1, Zugglieder - llseitig 1, *) durch ND gegenüber EC3-1- geändert,8*) Wie bei Raumtemeratur ergibt sich die Tragfähigkeit unter zentrischem Druck aus dem Produkt der volllastischen Normalkraft und einem bminderungsfaktor χ. Bei der volllastischen Normalkraft ist die erringerung der Streckgrenze mit dem Reduktionsfaktor k y,θ (s. Bild 4-3) zu berücksichtigen. Der bminderungsfaktor χ wird aus dem bezogenen Schlankheitsgrad mit der Knicksannungskurve c (im Brandfall immer c) nach EC3-1-1 bestimmt. Bei dem Schlankheitsgrad wird die temeraturbedingte erminderung von Streckgrenze und E-Modul näherungsweise durch den Faktor 1, berücksichtigt (vgl. ND zum EC3-1-): θ = 1, (4-) Günstig darf ggfs. eine kleinere Knicklänge im Brandfall nach Bild 4-1 angesetzt werden. Schlussendlich wird in Gl noch der nassungsfaktor κ = 1, nach Tab. 4-7 berücksichtigt. aussteifender Kern brandbeansruchte Stütze L L L L l Raumtemeratur Brandfall l θ =,7 L l θ =,5 L Bild 4-1 Knicklängen im Brandfall in ausgesteiften Rahmentragwerken 5 Zusammenfassung und usblick Die brandschutztechnischen Nachweise für Stahlbauten werden durch die aktuelle Normenentwicklung nachhaltig verändert. Hier sind insbesondere die Muster-Industriebaurichtlinie und die heißen Eurocodes aber auch die gelante Neufassung der Musterbauordnung zu nennen. Im Industriebau und in nsätzen auch in der zukünftigen MBO werden die nforderungen an den Feuerwiderstand den jeweiligen erhältnissen angeasst. Dadurch werden im ergleich zur ergangenheit vielfach geringere nforderungen gestellt. Im Industriebau werden insbesondere bei eingeschossigen Hallen in den meisten Fällen ungeschützte Stahlbauteile zum Einsatz kommen können. Beim Brandschutz der Bauteile hält der rechnerische Nachweis analog zum Standsicherheitsnachweis bei Normaltemeratur über die heißen Eurocodes Einzug. Die für den Brandschutz erforderlichen assiven Maßnahmen lassen sich auf dieser Grundlage im Sinne einer Bemessung otimieren. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick, wie nach den heißen Eurocodes die Einwirkungen im Brandfall ermittelt werden. Darüber hinaus werden die erfahren dargestellt, mit denen die Beansruchbarkeiten von Stahlbauteilen im Brandfall berechnet werden können. Dazu werden ausgearbeitete Zahlenbeisiele angegeben. Die vorliegenden Brandschutzteile der Eurocodes sind als Euroäische ornormen arallel zu den nationalen orschriften gültig. Bereits in wenigen Jahren sollen sie ihren ornormcharakter verlieren und in überarbeiteter Fassung als Euroäische Norm veröffentlicht werden. Möglicherweise fallen dann

23 Nationale brandschutztechnische Bemessung 19 die Einschränkungen, die zur Zeit durch die Nationalen nwendungsdokumente hinsichtlich der Berücksichtigung von Naturbränden auf Seite der Einwirkungen und der allgemeinen Berechnungsverfahren auf Seite der Beansruchbarkeiten formuliert werden. Schadensstatistiken belegen unzweifelhaft, dass etwa 8% der Brandofer durch Rauchvergiftung und vorrangig in der Schwelbrandhase gestorben sind. Der stille Tod überrascht die Ofer überwiegend nachts im Schlaf. Wirkungsvolle Maßnahmen zur Erhöhung der Brandsicherheit müssen daher in erster Linie den Schutz der Bewohner vor Brandrauch betreffen. Die nach Landesbauordnung geforderte Feuerbeständigkeit der Bauteile hilft hier wenig oder gar nicht. Im Gegenteil wiegt die Erfüllung gesetzlicher orschriften Bauherren, Planer und Bewohner in Sicherheit und verhindert die Sensibilisierung für wirksame Maßnahmen. Die Feuerwehren unterstützen daher seit über zwei Jahren Kamagnen, die sich für den Einbau von Wohnungsrauchmeldern engagieren. Der Einbau dieses reisgünstigen, lebensrettenden Frühwarnsystems geschieht in Deutschland zur Zeit noch freiwillig. In Skandinavien, England und den US haben gesetzliche Forderungen bereits zu hohen Installationsraten geführt und die nzahl der Brandtoten drastisch verringert. us Wettbewerbsgründen ist für den Stahlbau die Komensation assiver Brandschutzmaßnahmen durch anlagentechnischen und organisatorischen Brandschutz, wie sie bei Industriebauten und anderen Sonderbauten regelmäßig bei der Erarbeitung sogenannter Brandschutzkonzete auf der Basis natürlicher Brände ermöglicht wird, ein sekt, der zukünftig immer größere Bedeutung gewinnt. International wird diese Otion mit dem Begriff Performance Based Fire Design bezeichnet. SCHLEICH hat in [16] auf der Basis eines euroäischen Forschungsrojektes ein Natural Fire Safety Concet (Naturbrandkonzet) vorgestellt. Zur Zeit wird eine DSt-Richtlinie entworfen, die die Umsetzung von Naturbrandkonzeten für bestimmte nwendungsbereiche (z.b. im Büro- und erwaltungsbau), die für den Stahlbau besonders interessant sind, beinhaltet. Die Entwicklung der ingenieurmäßigen Berechnungsverfahren im vorbeugenden baulichen Brandschutz wirkt als Katalysator auch auf die Entwicklung im Bereich der erbesserung des Feuerwiderstandes von Stahlbauteilen. So wird einerseits unter dem Stichwort feuerresistenter Stahl an seziellen Baustahllegierungen gearbeitet, die höhere ersagenstemeraturen aufweisen, andererseits werden Brandschutzbekleidungen, insbesondere Dämmschichtbildner, entwickelt, die kostengünstiger als bisherige Lösungen sind. Zusammenfassend ist zu erwarten, dass sich die Rahmenbedingungen für die Stahlbauweise auch unter Wahrung des erforderlichen Sicherheitsniveaus für den baulichen Brandschutz günstig entwickeln. Dank Meinen Mitarbeitern, den Herren Dil.-Ing. Heise, Hothan, Nernheim und Umeyer, danke ich für ihre Mitwirkung an diesem Beitrag. 6 Literatur 6.1 Normen und Richtlinien [1] DIN EN Eurocode 1 - Grundlagen der Tragwerkslanung und Einwirkungen auf Tragwerke, Teil -: Einwirkungen auf Tragwerke - Einwirkungen im Brandfall, Deutsche Fassung EN : 1995, Mai 1997, Beuth erlag, Berlin, mit DIN-Fachbericht 91 Nationales nwendungsdokument (ND) - Richtlinie zur nwendung von DIN EN :1997-5, [] DIN EN Eurocode 3 - Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten, Teil 1-: llgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall, Deutsche Fassung EN : 1995, Mai 1997, Beuth erlag, Berlin, mit DIN-Fachbericht 93 Nationales nwendungsdokument (ND) - Richtlinie zur nwendung von DIN EN : , [3] DIN EN Eurocode 4 - Bemessung und Konstruktion von erbundtragwerken aus Stahl und Beton, Teil 1-: llgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall, Deutsche Fassung EN : 1994, Juni 1997, Beuth erlag, Berlin, mit DIN-Fachbericht 94 Nationales nwendungsdokument (ND) - Richtlinie zur nwendung von DIN EN :1997-6, [4] Muster-Richtlinie über den baulichen Brandschutz im Industriebau, Deutsches Institut für Bautechnik Mitteilungen, Ernst&Sohn, Berlin,