Systematischer Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtetem Beton (C80/95)

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5 5 Systematischer Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtetem Beton (C80/95) Christoph Ruch, Alphabeton AG, Büron 1 Ausgangslage Beton bietet auf Grund seiner tiefen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Wärmekapazität einen guten Schutz gegen hohe Temperatureinwirkungen, wie diese bei einem Brand auftreten können. Eine ausreichende Sicherheit von Bauwerken aus Beton im Brandfall wurde bislang immer als selbstverständlich betrachtet, solange eine minimale Querschnittsabmessung und Bewehrungsüberdeckung eingehalten wurde [7]. Die im Hochbau nun öfters zur Anwendung gelangenden Hochleistungsbetone können bei erhöhten Temperaturen ein ungünstigeres Verhalten aufweisen. Einerseits sind Veränderungen der mechanischen Eigenschaften zu beobachten, andererseits besteht die Gefahr von Abplatzungen an der Betonoberfläche. Das Materialverhalten solcher Betone bei erhöhten Temperaturen ist erforscht und bekannt. Für die Vermeidung von Abplatzungen gibt es heute noch keine allgemeingültigen Regelungen [5]. Entweder müssen solche ausgeschlossen werden, oder es muss eine Systematik gefunden werden, mit welcher Abplatzungen verhindert werden können. Verschiedene Veröffentlichungen zum Thema Stützen und Brand, leider meist nicht mit der nötigen Sorgfalt recherchiert, verursachten in der Vergangenheit, aber auch noch heute, eine sehr grosse Verunsicherung bei Ingenieuren, Planern, General- oder Bauunternehmungen. Viele der vorgebrachten Behauptungen oder Argumente können wissenschaftlich nicht bewiesen werden oder sind sogar nachweislich falsch. Nicht aktuelles Fachwissen, Nichtwahrnehmung der Verantwortlichkeiten und die fehlende Durchsetzung von Brandschutzvorschriften haben leider dazu geführt, dass über eine längere Zeitperiode Stützen produziert, geliefert und eingebaut wurden, deren Feuerwiderstand nicht gemäss den gültigen Normen oder dem bekannten Stand der Technik nachgewiesen werden konnte. Vor allem nachfolgende Fehlinterpretationen wurden vorgenommen: - Vermischung von Normen - Anwendung von Normen ohne Berücksichtigung der vorgegebenen Grenzen - Delegation des Feuerwiderstandes an den Bauherrn trotz Vorgabe einer geforderten Feuerwiderstandsklasse - Verweis auf VKF-Einträge, die aber nicht mit den gelieferten Produkten übereinstimmten - Anwendung einzelner Prüfungen unter Last und Temperatur (direkter Anwendungsbereich) trotz Nichteinhaltung der Vorgaben der Prüfnormen und Übertragung dieser Einzelwerte auf andere Typen So traten bei verschiedenen Baustellen grössere Probleme auf, weil die Nachweise der geforderten Feuerwiderdstandsklasse nicht erbracht werden konnten. Dieses, hoffentlich kaum den üblichen schweizerischen Verhältnissen entsprechende Verhalten verschiedener Lieferanten hat bisher vor allem Generalund Bauunternehmungen betroffen. Mit der nun aber zunehmenden Kontrolltätigkeit der Brandschutzbehörde werden noch bei vielen Bauwerken aufwendige Ertüchtigungsmassnahmen durchzuführen sein, deren Kosten die Bauherrschaft kaum tragen wird. Bild 1 Schulhaus Blumenfeld, Zürich, Kostenschätzung ca. 90 Mio. CHF. - Verwendung hochfester Betone ohne zusätzliche Massnahmen - Verwendung normalfester Betone der höchsten Festigkeitsklasse C50/60 ohne zusätzliche Massnahmen

6 6 Brandschutz an Stahlbetonbauteilen Bild 2 zeigt die allgemein bekannten sowie die firmenspezifischen Aktivitäten von Alphabeton AG betreffend der Thematik Stützen und Brand der vergangenen Jahre. Schon vor der Abmahnung VKF (Vereinigung Kantonale Feuerversicherungen) an SwissBeton vom Dezember 2012 hat Alphabeton AG umfangreiche Materialversuche durchgeführt. Der Nachweis, dass der Beton im Brandfall nicht abplatzt, konnte aber zu diesem Zeitpunkt noch nicht erbracht werden. Weder national noch international waren allgemein anerkannte Versuche bekannt, aber auch verbindliche Vorgaben der Brandschutzbehörden fehlten. Bild 2 Zeitliche Abfolge Die Problematik bestand nun darin, die einzelnen Prüfungen unter Last und Temperatur soweit zu minimieren, dass trotzdem die massgebenden, das Abplatzen des Überdeckungsbetons beeinflussenden Argumente umfassend geprüft werden, und der Beton unter allen geprüften Konstellationen im Brandfall nicht abplatzt. Zusätzlich musste eine akkreditierte Stelle gefunden werden, welche ein dazu gehörendes Gutachten erstellt. Mit dieser Vorgabe - Beton platzt nicht ab - musste ein einfaches Verfahren gefunden werden, mit dem der Feuerwiderstand jeder einzelnen Stütze nachgewiesen werden kann. 2 Normen 2.1 Tragwerksnormen SIA 262:2013 Der Nachweis des Brandwiderstandes ist in der SIA 262:2013 mit einer eher grundsätzlichen Forderung beziehungsweise Nachweisführung definiert. Der geforderte Brandwiderstand wird in der Nutzungsvereinbarung und in der Projektbasis festgelegt. Das Bauwerk ist dann so auszubilden, dass die Brandeinwirkung nicht zum vorzeitigen Versagen des Tragwerkes führt. Allgemeine Berechnungsverfahren sind zulässig. Der Nachweis kann auch mit Tabelle 16 geführt werden. Bei allen Verfahren ist aber zentral, dass der Überdeckungsbeton nicht abplatzt. Dieser Nachweise ist für alle Betonfestigkeitsklassen zu führen, da die SIA 262:2013 Gültigkeit für Normalbetone C8/10 bis C100/115 hat (Normalbeton ist gemäss Definition SIA 262:2013 oder SN EN 206-1:2000 ein Beton mit normalem Raumgewicht) [8]. Für den Nachweis gegen Abplatzen gibt es auch international noch keine allgemein anerkannten Verfahren. Dieser kann daher nur mit umfangreichen, systematischen Versuchen unter Temperatureinwirkung und Last stattfinden, welche sämtliche bekannten Einflussfaktoren für das Abplatzen des Überdeckungsbetons miteinbeziehen. Bei Berücksichtigung aller dieser Faktoren zeigt sich, dass mehrere belastete Brandversuche erforderlich sind, um gesicherte Aussagen zu erhalten. Da keine Anpassungen an der Betonmischung erfolgten, mussten nur nachfolgende Variablen berücksichtigt werden: Variable Querschnittsform mögliche Grössen rund, oval rechteckig Querschnittsgrösse b 200 mm bis 450 mm Schlankheit λ Kalt 50 bis 100 mech. Bewehrungsgehalt ω 0.5 bis 2.5 Bewehrungsüberdeckung c 20 mm bis 40 mm Bewehrungsanordnung Einzelstab, Stabbündel Ausnutzung η fi 0.5 bis SN EN :2004, Eurocode 2, Tragwerksbemessung für den Brandfall Mit der Veröffentlichung des Nationalen Anhangs (SN EN /NA:2014) per ist der Weg frei, den Feuerwiderstand gemäss den Vorgaben von SN EN nachzuweisen. Zu beachten gilt aber, dass unterschiedliche Normen nicht miteinander vermischt werden dürfen, oder dass beim Nachweis des Feuerwiderstandes nach SN EN auch die Kaltbemessung und konstruktive Ausbildung der Stützen nach Eurocode 1 auszuführen sind. Die Nachweiskonzepte entsprechen jener der SIA Norm. Zusätzlich werden für verschiedene Bauteile noch vereinfachte Rechenmodelle zur Verfügung gestellt, die aber nur innerhalb vorgegebener Grenzen angewendet werden dürfen. Im Abschnitt 3 Materialeigenschaften sind alle wesentlichen Informationen zur temperaturabhängigen Veränderung der mechanischen Materialkennwerte enthalten. Für die numerische Beschreibung der temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungsbeziehungen und der thermischen Dehnungen sind Gleichungen angegeben. Die thermomechanischen Materialgesetze des SN EN geben in vereinfachter, für den brandschutztechnischen Nachweis aber ausreichend genauer Form, das

7 Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtendem Beton (C80/95) 7 Festigkeits- und Verformungsverhalten der Baustoffe bei erhöhten Temperaturen wieder. 2.2 Prüfnormen SN EN :2012 Feuerwiderstandsprüfungen Teil 1: Allgemeine Anforderungen Diese Norm regelt allgemeine Vorgaben an Feuerwiderstandsprüfungen wie zum Beispiel die anzuwendende Aufheizkurve (Normbrandkurve gemäss ISO 834), T = 345log(8t + 1) +20 T = mittlere Ofentemperatur, [Grad Celsius] t = Zeit, [Minuten] Bild 3 Einheits-Temperatur-Zeit-Kurve (ETK) SN EN :1999 Feuerwiderstandsprüfungen für tragende Bauteile Teil 4: Stützen Die Norm legt das Vorgehen bei einer Feuerwiderstandsprüfung von Stützen fest. Stützenprüfungen unter Last werden vorzugsweise an kleinen Querschnitten mit grossen Schlankheiten, grossen Lasten und grossen Ausnutzungen durchgeführt. Die vorgegebenen Exzentrizitäten (jeweils um die schwache Achse) sind einzuhalten. Diese Exzentrizitäten sind bedeutend kleiner als die nach Norm im Kaltzustand minimal geforderten. 3 Abplatzen 3.1 Normalfester Beton / hochfester Beton SIA 262:2013 unterscheidet - im Gegensatz zu SN EN nicht zwischen normalfestem und hochfestem Beton. Die Grenze wird bei der charakteristischen Druckfestigkeit f ck,cube = 60 N/mm 2 (Würfel 150x150x150 mm) gezogen. Ein Beton der Festigkeitsklasse C50/60 wird gemäss SN EN als normalfester Beton behandelt, C55/67 als hochfester Beton. Wird normalfester Beton eingesetzt, braucht es keinen speziellen Nachweis gegen das Abplatzen. Diese Forderung führt aber nicht zu sicheren Lösungen, wie Bild 4 deutlich zeigt. Auch nachfolgende Überlegungen sind gebührend zu berücksichtigen: - Nacherhärtung: f cw,365/f cw,28 > ca. 1.1 mögliche Grenzabweichungen, die Konditionierung der Prüfkörper, Messeinrichtungen und deren Anwendung, Prüfdurchführung, Prüfergebnisse und Prüfbericht. Auch wird im Anhang A der Anwendungsbereich von Prüfergebnissen definiert. Zum Zeitpunkt der Prüfung müssen die Festigkeit und der Feuchtegehalt des Probekörpers annähernd dem Zustand entsprechen, der bei der üblichen Verwendung zu erwarten ist. Der Probekörper darf erst dann geprüft werden, wenn er nach einer Lagerung in Umgebungsluft von 50 % relativer Feuchte bei einer Temperatur von 23 Celsius eine Gleichgewichtsfeuchte erreicht hat. Für Bauteile aus Beton besteht die Vorgabe, dass diese erst geprüft werden dürfen, wenn sie für die Dauer von mindestens 3 Monaten konditioniert wurden. Falls die Konditionierung des Probekörpers davon abweicht, muss dies im Prüfbericht eindeutig erwähnt werden. Wird diese Vorgabe nicht eingehalten, können die Resultate ohne zusätzliche Anpassungen nicht verwendet werden. Bei richtiger Anwendung der Norm ergeben sich daher auch relativ lange Verfahren von der Prüfplanung bis zum eigentlichen Test. - Überfestigkeit: für den Nachweis der Festigkeitsklasse sind Minimalwerte definiert. Die geplante Festigkeitsklasse wird in der Regel um eine bis zwei Festigkeitsklassen überschritten - Abplatzen: für den Nachweis gegen Abplatzen ist ein Maximalwert zu definieren (95 % aller Werte < 60 N/mm 2 ), was einer Betonfestigkeitsklasse von ca. C35/45 entspricht Bild 4 links: C25/30 mit PP-Fasern, rechts C80/95 mit PP-Fasern, beide nach Brandbeanspruchung Bild 4 links zeigt einen Beton, bei dem nach SN EN das Abplatzen des Überdeckungsbetons nicht speziell nachgewiesen werden muss. Bild 4 rechts zeigt im Gegensatz dazu einen Beton, der ohne weitergehen-

8 8 Brandschutz an Stahlbetonbauteilen de Untersuchungen gemäss SN EN nicht angewendet werden dürfte. Wenn nun Stützen aufgrund dieser zweifelhaften Vorgaben ausgeführt werden, hat das bei einem möglichen eintretenden Brandfall dramatische Folgen. 3.2 Massnahmen gegen Abplatzen Die Norm SIA 262:2013 äussert sich zum Thema Abplatzen wie folgt: Ziffer : Durch dieses Nachweisverfahren (nach Tabelle 16: Minimale Bauteilabmessungen und Bewehrungsüberdeckungen) nicht abgedeckte Versagensarten, wie Abplatzen des Überdeckungsbetons.... sind mit konstruktiven Massnahmen zu verhindern. Ziffer : In gewissen Fällen kann die Zugabe von Polypropylenfasern sinnvoll sein; das Freischmelzen von Dampfentlastungskanälen reduziert die Gefahr explosionsartigen Abplatzens. In den letzten Jahren wurden weltweit viele Untersuchungen und Berichte zu diesem Thema veröffentlicht. Allgemein wird bestätigt, dass das Beimischen von Kunststofffasern das Auftreten von Betonabplatzungen verhindern kann [7, 16, 17, 18]. Im weiteren bildet die Verwendung eines geeigneten Zuschlages die Basis für abplatzfreien Beton. Es ist seit langem bekannt, dass sich kalksteinhaltige Zuschläge (Kalkgehalt > 80%), Basalt oder Diabas bei grosser Hitze besser eignen als Gesteine mit hohem Quarzanteil. Die Dekarbonatisierung von Kalkgestein findet bei einer Temperatur von ca. 800 C statt. Die Mineralumbildung von Quarz (Volumenzunahme und damit Gefügezerstörungen und Abplatzungen an den Gesteinskörnungen) treten bereits bei einer Temperatur von ca. 575 Celsius auf. Alphabeton AG produziert sämtliche Stützen mit einem selbstverdichtenden, hochfesten Beton der Festigkeitsklasse C80/95, mit kalksteinhaltigen Zuschlägen sowie mit Zugabe von Polypropylenfasern. Die Mischung wurde infolge ihrer hohen Brandbeständigkeit ohne Abplatzungen - patentiert.. Diese sehr positive Materialeigenschaft konnte an mehreren, internationalen Prüfinstituten mit unzähligen Brandversuchen nachgewiesen und bestätigt werden. - Allgemeine Berechnungsverfahren Zwingende Voraussetzung für die Anwendbarkeit aller Verfahren ist aber, dass der Beton nicht abplatzt oder dass eine Systematik bezüglich der Abplatzproblematik gefunden wird. Der Nachweis, das der Beton unter Last und Brand nicht abplatzt, kann aber nur durch unzählige systematische Versuche nachgewiesen werden. Die SN EN stellt für den Nachweis des Feuerwiderstandes von Stützen ähnliche Konzepte zur Verfügung: - Nachweis mit tabellierten Werten - Vereinfachte Berechnungsverfahren - Allgemeine Berechnungsverfahren Die Differenz in der Anwendung besteht nun vorwiegend darin, dass die SN EN im Gegensatz zur Norm SIA 262:2013 für normalfesten Beton keinen Nachweis gegen Abplatzen fordert. Zusätzlich stellt diese Normenreihe für Stützen vereinfachte Berechnungsverfahren zur Verfügung, die bei richtiger Anwendung auf der sicheren Seite liegende Resultate ergeben. 4.2 Versuche Direkter Anwendungsbereich Aufgrund einzelner Versuche kann ein direkter Anwendungsbereich erreicht werden. Mit diesem ist jedoch nur eine äusserst beschränkte Menge Stützen nachweisbar. Hier gilt der Grundsatz: geprüft wie eingebaut. Die für den Feuerwiderstand massgebenden Eigenschaften dürfen nur auf die sichere Seite hin verändert werden. Das heisst bei gleicher Betonmischung, gleichem Querschnitt, gleichem Bewehrungsgehalt und -anordnung, gilt: Länge Test > Länge Eingebaut Ausnutzung Test > Ausnutzung Eingebaut Last Test > Last Eingebaut Die in den einzelnen Prüfnormen vorgegebenen Randbedingungen (Konditionierung, Exzentrizitäten, Brandkurve, etc.) sind zwingend einzuhalten, da Abweichungen einen Einfluss auf das Ergebnis haben und im Gutachten beschrieben werden müssen. 4 Nachweiskonzepte 4.1 Normen Die SIA 262:2013 stellt für den Nachweis des Feuerwiderstandes für Stützen zwei Konzepte zur Verfügung - Nachweis mit Tabellen (Tabelle 16) Erweiterter Anwendungsbereich Zur Erlangung eines erweiterten Anwendungsbereiches sind Überlegungen zur Interpolation und Extrapolation aus eine Reihe von Prüfergebnissen an unterschiedlichen Grössen oder Varianten erforderlich. Die beim erweiterten Anwendungsbereich benutzten Methoden

9 Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtendem Beton (C80/95) 9 beruhen auf Prüfungen, Berechnungsverfahren und Expertenbeurteilungen. Die Ausstellung eines entsprechenden Zertifikates darf nur durch eine akkreditierte Prüf und Zertifizierungsstelle erfolgen. Bild 5 Gutachten für den erweiterten Anwendungsbereich von Alphabeton-Stützen durch MFPA Leipzig GmbH (VKF Zertifikat 25469) - Ausnutzung - Schlankheit zu bestimmen und mögliche Gesetzmässigkeiten zu erkennen. Total wurden 60 * 21 * 5 = Einzelwerte mit einer Näherungsmethode berechnet und mit einem Zielwert (Vorgabe SIA 262, Tabelle 16) verglichen. Aus der Vielzahl der untersuchten Stützen wurden nun die besonders kritischen selektiert, um die Ergebnisse der Näherungsmethode mit den durch die SIA 262 benannten allgemeinen Berechnungsverfahren mittels geometrisch und physikalisch nichtlinearer Finite-Element- Simulationen zu überprüfen. Für über zwanzig Typen wurde die Feuerwiderstandsdauer für die grösste Schlankheit und die maximale Ausnutzung mittels FEM berechnet. 5.3 Prüfplanung Vorbereitende Materialuntersuchungen 5 Brandprüfungen 5.1 Ausgangslage Fehlende Vorgaben und vorhandener Druck der Aufsichtsbehörden führten dazu, dass betreffend Erreichung eines erweiterten Anwendungsbereiches auch international kaum nützliche Informationen zur Verfügung standen. Alphabeton AG hat schon lange vor der Abmahnung VKF an SwissBeton umfangreiche Materialversuche durchgeführt. Wir prüften vorerst 24 unterschiedliche Betonzusammensetzungen, Fasertypen und Fasermengen und deren Einfluss auf die Verarbeitung des Frischbetons und auf das Abplatzverhalten während der Temperatureinwirkung. Sowohl die Verarbeitung des selbstverdichtenden, hochfesten Betons als auch das nicht abplatzen waren zwingend einzuhalten. Die Fasermenge und -geometrie hat einen bestimmenden Einfluss auf die Verarbeitung des Betons. Bestimmt wurden die Druck- und Biegezugfestigkeitswerte kalt und heiss. Unsere Überlegung war, das hohe Biegezugfestigkeiten nach dem Brandangriff das Abplatzverhalten des Betons vermindern oder sogar ausschliessen können. Alphabeton AG setzte sich zum Ziel, den Feuerwiderstand von mindestens 95 % des vorhandenen Stützensortimentes mit einer praxistauglichen, einfachen und sicheren Methode nachweisen zu können. Dazu waren zum einen Material- und Bauteilprüfungen notwendig. Zum anderen mussten die Ergebnisse dieser Prüfungen mit den theoretisch berechneten Werten verglichen werden. Zudem waren die kritischen Stützen zu bestimmen. Bei einer Vielfallt von ca unterschiedlichen Typen pro Jahr musste eine Systematik gefunden werden, um die Typen mit den kleinsten Feuerwiderständen zu definieren. Bild 6 vorbereitende Materialversuche, Ausschnitt aus der Ergebnisliste 5.2 Definition der kritischen Typen Ziel war es, die Feuerwiderstandsdauer von sechzig ausgewählten Alphabeton Stützen aufgrund der vorgegebenen Querschnitte in Abhängigkeit von weiterführende Materialversuche Mit der aus den Vorversuchen favorisierten Betonmischung bezüglich Verarbeitung, Abplatzen, Festigkeiten

10 10 Brandschutz an Stahlbetonbauteilen wurden weiterführende Untersuchungen betreffend dem Abplatzverhalten und der Heissfestigkeit der gewählten Betonsorte durchgeführt. Ziel war wiederum der Nachweis, dass der Beton überhaupt nicht abplatzt (0 kg/m 2 ). Ein weiterer Aspekt war die Überprüfung der Heissfestigkeitswerte zu den vorgegebenen Werten nach SN Beton der Festigkeitsklasse C80/95 ist der Klasse 2 zuzuordnen. Die Reduzierung f cϑ /f ck ist unabhängig von der Art der Gesteinskörnung. Auch bei diesen Versuchen wurde kein Abplatzen festgestellt. Die Bestimmung der effektiven Heissfestigkeitswerte lieferte gegenüber den Materialwerten gemäss SN EN günstigere, d.h. höhere Werte Grossversuche an unbelasteten Prüfkörpern Ziel dieser Versuche war das Abplatzverhalten von unbelasteten Prüfkörpern mit unterschiedlichen Querschnitten und Bewehrungsgehältern und -anordnungen zu überprüfen. Dazu wurden verschiedene Prüfkörper im Massstab 1:1 hergestellt. Zum Nachweis der Temperaturerhöhungen in den Stahlbetonstützen wurden Themoelemente in zwei Ebenen und an 9 verschiedenen Abständen von der Mantelfläche montiert. Die verschiedenen Messdaten wurden aufgezeichnet und die gemessenen Werte mit den theoretisch nach SN EN ermittelten Werten verglichen. Bild 7 Validierung der thermischen FE-Modellbildung mit den gemessenen Werten Der Vergleich bei allen Einzelwerten zeigt, dass die berechneten Temperaturen nahe an den maximal gemessenen Temperaturen liegen. Aufgrund unzähliger Einzelwerte kann davon ausgegangen werden, dass die berechneten Temperaturen stets etwas über dem Mittelwert, nahe des Maximalwertes der gemessenen Temperaturen, liegen. Diese obere Annäherung führt bei der statischen Analyse zu etwas geringeren Feuerwiderstandsdauern, im Ergebnis also zu auf der sicheren Seite liegenden Lösungen. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass die kritische Temperatur der Längsbewehrungsstäbe von 500 Celsius mit den gewählten Betondeckungen für alle untersuchten Bewehrungsanordnungen (Einzelstäbe, Stabbündel) unterschritten wurden. Der Untersuchungsbericht stellt aber auch fest, dass die Ergebnisse ausschliesslich auf die unbelasteten Stahlbetonstützen mit gleichen geometrischen Abmessungen und unter Verwendung derselben Betonmischung übertragen werden können (direkter Anwendungsbereich). Diese Aussage erfolgte trotzt dem Vorliegen von zwei belasteten Stützen-Brandversuchen unter Last und zeigt deutlich, dass nur umfassende Versuche zu einem Gutachten führen Grossversuche an belasteten Prüfkörpern In Abstimmung mit den bereits erfolgreich durchgeführten Vorversuchen und den daraus gewonnenen Erkenntnissen wurde ein Prüfprogramm mit verschiedenen Querschnitten und Bewehrungsgehalten festgelegt. Pro Stütze wurden vor der Herstellung bis 34 Thermoelemente an der Bewehrung befestigt. Damit konnten die Temperaturen im Prüfkörper während der gesamten Prüfdauer aufgezeichnet werden, welche wiederum interessante Rückschlüsse über das Durchwärmungsverhalten in Abhängigkeit der Zeit ergaben, und mit den theoretisch nach SN EN berechneten Werten verglichen werden konnten Anschliessend erfolgte die Herstellung der Stützen mit der patentierten Betonmischung Alphapact P080. Die Brandprüfungen wurden nach der normgerechten Konditionierung durchgeführt. Weiter ist zu beachten, dass Stützenprüfungen gemäss SN EN :1999 vorzugsweise an kleinen Querschnitten durchgeführt werden. Zum einen sind diese brandsensitiver (kleinere Wärmeaufnahme), zum andern wird für die geprüfte, planmässige Aussermittigkeit der Belastung (Exzentrizität) immer der kleinere Wert von Stützenlänge/500 resp. 7 mm definiert, welcher für kleine Querschnitte verständlicherweise ungünstigere Werte liefert. Sowohl während der unbelasteten Brandversuche als auch während der belasteten Brandprüfungen konnten an keiner der insgesamt 18 geprüften Stützen Abplatzungen festgestellt werden. Das heisst, bei allen Brand-

11 Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtendem Beton (C80/95) 11 versuchen blieben die Stützen ohne Abplatzungen bis zum temperaturbedingten Kollaps. Bild 8 Bild: BAM, Berlin Belasteter Stützentyp 1, Aufzeichnung m Messwerte über die gesamte Versuchsdauer Simulation mit Finite-Elemente-Methode Sämtliche Stützenversuche wurden mit der FE-Methode nachgerechnet. Für die Materialkennwerte wurden zwei unterschiedliche Material-Sets definiert. Set 1: SN EN Set 2: neuere wissenschaftliche Untersuchungen Bild 9 Modellierung eines geprüften Querschnittes unter Last mit FE-Methode zur Zeit t = 191 Minuten (Versagenszeitpunkt); Zielwert nach SIA 262, Tabelle 16: 90 Minuten. und validierte FEM-Berechnung ist gross. Vor allem die Modellierung darf nicht unterschätzt werden. Im vorliegenden Fall wurden dreieckige Elemente der Grösse von ca. 1 mm bis 10 mm benutzt. Das Zeitinkrement für die Berechnung beträgt 10 Sekunden. Die Berechnungszeit ist von der Hardware abhängig, beträgt bei einem ordentlichen Rechner aber immer noch Stunden. Ein kaum praxistaugliches Instrument. Darum bestand eine zusätzliche Vorgabe für den Gutachter, eine praxistaugliche Lösung für die Berechnung des Feuerwiderstandes auf der Basis der SIA Normen zu entwickeln. In der SN EN ist als vereinfachtes Bemessungsverfahren die Methode A [9] beschrieben, welche auf der Auswertung von vielen Stützen- Brandversuchen unter Last entwickelt wurde. Die Anwendung dieser Methode ist aber nur in engen Grenzen möglich. Somit musste versucht werden, diese Methode zu erweitern und auf die Kaltbemessung nach SIA 262:2013 anzupassen. Diese Versuche (meist mit normalfestem Beton) zeigten aber auch, dass bei Verwendung von normalfestem Beton normaler Festigkeitsklasse der Feuerwiderstand in den meisten Fällen problemlos auf der sicheren Seite liegend bestimmt werden kann. Bild 10 Umfangreiche Versuchsreihen zur Absicherung von Methode A gemäss SN EN , inkl. eigener Resultate alle auf der sicheren Seite liegend Sämtliche von Alphabeton AG ausgeführten Stützen- Brandversuche können mit der modifizierten Methode A auf der sicheren Seite liegend nachgewiesen werden. 6 Rechenbeispiel Bild: MFPA, Leipzig Für alle getesteten Stützen konnte mit beiden Sets die Feuerwiderstandsdauer auf der sicheren Seite liegend nachgewiesen werden. Der Aufwand für eine korrekte Diese Stütze wurde unter vierseitiger Brandbeanspruchung durch die Einheitstemperaturkurve ETK unter Einhaltung aller Vorgaben der Norm SN EN wie zum Beispiel Konditionierung, Exzentrizität etc. geprüft. Der im Test bestimmte Feuerwiderstand betrug R Test = 172 Minuten

12 12 Brandschutz an Stahlbetonbauteilen Die Nachrechnung mit der Finite-Elemente-Methode zeigt nachfolgende Resultate R FEM, Set 1 = 119 Minuten R FEM, Set 2 = 136 Minuten Bild 11 Beispiel 1 Der Bemessungswert des Normalkraftwiderstandes N Rd für Normaltemperatur kann gemäss SIA 262;2013 oder SN EN berechnet werden. Wird N Rd gemäss SIA 262:2013 unter Berücksichtigung der Exzentrizität e 2d nach Abschnitt (Näherungslösung) oder SN EN berechnet, ist k N = 1.0 für alle λ. Wird N Rd gemäss SIA 262;2013 unter Berücksichtigung der Exzentrizität e 2d nach Abschnitt (genauerer Wert) berechnet, ist k N gemäss Diagramm in Abhängigkeit von λ zu bestimmen. Bild 12 Anpassungsfaktor Mit verschiedenen Methoden wird nun aufgezeigt, wie der Feuerwiderstand nachgewiesen werden kann. 6.1 Allgemeine Werte Beton C80/95, f cd = 38.5 N/mm 2, f ck = 80.0 N/mm 2 B500B, f yd = 435 N/mm 2 A brutto = 250*250 = mm 2 i = (I/A) 1/2 = (b 2 /12) 1/2 = (250 2 /12) 1/2 = 72.2 mm λ Kalt = l Kalt/i = 3 620/72.2 = [ ] λ Warm = l Warm/i = 0.70*3 620/72.2 = [ ] A s = 8*20 2 *π/4 = 2'513 mm 2 ω = A s*f yd/a Brutto*f cd (mech. Bewehrungsgehalt) ω = 2'513*435/62'500*38.5 = [ ] ρ = 100*A s/a Brutto (geom. Bewehrungsgehalt) ρ = 100*2'513/62'500 = 4.02 % 6.2 Nachweis: SIA 262:2013, Tabelle 16 Beton platzt nachweislich nicht ab (Gutachten) Betondeckung c = 30 mm Querschnitt 250 mm > 240 mm Feuerwiderstand R Nachweis: SN EN , Tabelle 5.2.a Beton platzt nachweislich nicht ab (Gutachten) υ fi = N Ed,fi/N Rd In unserem Falle wurde N Rd = kn gemäss SIA 262;2013 Artikel bestimmt. Bei einer Schlankheit von λ = ergibt sich ein k N Wert von υ fi = N Ed,fi/N Rd*k N = 1 190/(2 390*0.835) = a = 46 mm Feuerwiderstand R Nachweis: SN EN , Formel 5.7 R = 120((R ηfi + R a + R l + R n)/ Diese Methode berücksichtigt die wesentlichsten Parameter für die Bestimmung des Feuerwiderstandes (Ausnutzung, Achsabstand der Längsbewehrung, Stützenlänge im Brandfall, Querschnitt, Bewehrungsanordnung und Gehalt, Materialfestigkeiten) und zeigt bei Einhaltung der Grenzen gute Ergebnisse zu Vergleichen mit vielen Versuchen R a (Anteil Achsabstand) a = c + Ø Bügel + Ø Längseisen/2 a = /2 = 46 mm; 25 mm a 80 mm OK R a = 1.60(a 30)

13 Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtendem Beton (C80/95) 13 R a = 1.60(46 30) = Min. Bild 13 Einfluss der Betondeckung (Achsabstand) auf den Feuerwiderstand (in Funktion verschiedener Ausnutzungen). Basis Beispiel 1. wobei υ fi = N Ed,fi/(N Rd*k N) und α acc = 0.85 υ fi = 1 190/(2 390*0.835) = R ηfi = 83[ ( )/(0.85/ )] R ηfi = Min. R = 120 ((R ηfi + R a + R l + R b + R n)/120) 1.8 R = 120 (( )/120) 1.8 Feuerwiderstand R = 115 Minuten 6.5 Nachweis: Vorschlag Kodur/Raut: R l (Anteil Knicklänge) l = 3.62 m l 0,fi = 0.70*l = 0.70*3.62 = 2.53 m < 6.00 m OK R l = 9.60(5 l 0,fi) = 9.60(5 2.53) = Min. R b (Anteil Querschnittsabmessung) b = b = 250 mm; 250 mm <= b <= 450 mm OK h/b = 1.0 < 1.5 OK R b = 0.09*b = 0.09*250 = Min. R n (Anteil Bewehrungsanordnung) n = Anzahl Längsstäbe = 8 n > 4; R n = Min. R ηfi (Anteil Ausnutzung) In unserem Falle wurde N Rd = kn gemäss SIA 262 Art bestimmt. Bei einer Schlankheit von λ = ergibt sich ein k N Wert von Bild 14 Einfluss der Ausnutzung auf den Feuerwiderstand (in Funktion verschiedener Betondeckungen resp. Achsabstände). Basis Beispiel 1. Eine weitere Näherungsmethode zeigen Kodur/Raut [10] mit ihrem Vorschlag auf, der die bekannten Einflussgrössen von SN EN mitberücksichtigt. Zusätzlich werden noch Faktoren für die Art des Zuschlages, die Permeabilität des Betons (Perm), exzentrischen Lastangriff sowie Brandbeanspruchung (1-, 2-, 3- oder 4- seitig) bestimmt. R = C t [8*k cp*k sh(30 - (S R + 5)(L R 0.2)))] 0.94 mit den Bezeichnungen entsprechend SN EN ergibt sich nachfolgend angepasste Formel: R = C t [8*k cp*k sh(30 - (λ Warm + 5)(υ f 0.2)))] 0.94 C t = 1.0 für vorwiegend quarzhaltige Zuschläge C t = 1.1 für vorwiegend kalkhaltige Zuschläge in unserem Beispiel C t = 1.1 k cp = [(a 82)(ρ ) + 870]/390 k cp = [(46 82)( ) + 870]/390 = k sh = k ec*k sp k ec = 1, wenn Exzentrizität = 0, sonst k ec = [(λ Warm - 243)(E c - 768) ]*k e2/ k e2 = 1, wenn E c2 = 0, d.h. keine Exzentrizität um x- Achse oder Rundstütze k e2 = [[( E d2)(e c + 550) + 870]/ ] -1 E c = E ap + E eq (totale Exzentrizität) E ap = Exzentrizität um x-achse E eq = äquivalente Exzentrizität infolge n-seitiger Brandbeanspruchung E eq = 0 für Rundstützen E eq = (d *d )/3 000 für 1-seitige Brandbeanspruchung E eq = ( * )/3 000 = R ηfi = 83[1.00 υ fi((1 + ω)/(0.85/α acc + ω))] k e2 = [[(7 600)( ) + 870]/ ] -1 = 0.78

14 14 Brandschutz an Stahlbetonbauteilen d.h. der Brandwiderstand bei einer einseitigen Brandbeanspruchung verkleinert sich im besprochenen Beispiel im Vergleich zur vierseitigen Brandbeanspruchung auf ca. 78 % (Faktor k e2 = 0.78) Bild 15 Auswertung von Stützenversuche und Vergleich mit Ergebnissen nach Methode A (SN EN ) und Vorschlag Kodur/Raut E eq = -17 für 2-seitig gegenüberliegende Brandbeanspruchung E eq = (d *d )/3 000 für 2-seitig berührende Brandbeanspruchung E eq = (d *d )/5 000 für 3-seitige Brandbeanspruchung k sp = 1, wenn Permeabilität >=10-17 m 2 oder k sp = 1, wenn Permeabilität < m 2, aber mit 1% bis 2 % Polypropylenfasern k sp = [log(perm) + 20]/2.75 für Rechteckquerschnitt und Permeabilität (Perm) < m 2 k sp = [log(perm) + 25]/2.50 für Rundquerschnitte und Permeabiltät (Perm) < m 2 λ Warm = l 0,fi /i = 2 543/72.2 = 35.2 υ fi = N Ed,fi/(N Rd*k N) = (siehe Nachweis nach SN EN ) R =1.1[8*1*1.167*(30 - ( )*( )))] 0.94 Feuerwiderstand R = 105 Minuten 6.6 Nachweis: Australian Code Methode FRP = (k*f c 1.3 *D c 3.3 *D g 1.8 )/(10 5 *N *1.5 *L e 0.9 ) mit den Bezeichnungen entsprechend SN EN ergibt sich nachfolgend angepasste Formel: R = (k*f ck 1.3 *b 3.3 *h 1.8 )/(10 5 *N Ed,fi 1.5 *l Kalt 0.9 ) υ fi = N Ed,fi/N Rd > 0.40 k = 1.5 wenn A s/a brutto < k = 1.7 wenn A s/a brutto >= R =(1.7* * * )/(10 5 * *3' ) R = 131 Minuten 6.7 Vergleich Nachweise Auch weitere Nachrechnungen zeigen, dass die modifizierte Methode A als auch der Vorschlag Kodur/Raut auf der sicheren Seite liegende Ergebnisse zeigen, wenn die vorgegebenen Grenzen eingehalten werden, was bei einer üblichen Ortsbeton-Hochbaustütze unproblematisch sein sollte (ρ <= 4 %, l 0,fi < 6.00 m, Rundstützen, Rechteckstützen h/b <= 1.5). Berechnung Kodur/Raut: k sp = 1, d.h. Permeabilität m 2 oder mit PP-Fasern Sowohl die Methode A als auch der Vorschlag Kodur/Raut zeigen bei allen Nachrechnungen ähnliche Werte und auf der sicheren Seite liegende Resultate zu den durchgeführten Brandversuchen. Der Nachweis nach der Australischen Code Methode zeigt grössere Abweichungen. 7 Schlussfolgerung Der Feuerwiderstand von tragenden Elementen wie Stützen ist ein wichtiger Bestandteil des Nachweises der Gebrauchstauglichkeit. Vor allem bei Stützen kann ein vorzeitiges Versagen katastrophale Folgen haben. Der Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtendem Beton kann mit sicheren Methoden nachgewiesen werden. Die möglichen Einflussfaktoren für das Abplatzen des Überdeckungsbetons sind bekannt. Der Beweis, dass der Beton nicht abplatzt, kann nur durch systematische Versuchsreihen erfolgen. Sämtliche Einflussfaktoren sind zu beachten: - Aufheizgeschwindigkeit (ETK Kurve ISO 834) - Geometrie Querschnitt - Festigkeitswerte Beton und Stahl - Längsbewehrungsgehalt und Anordnung - Typ und Form der Zuschläge (vorwiegend quarzhaltig resp. kalkhaltig, rund, gebrochen) - Stützenlänge resp. Schlankheit - Betondeckung resp. Achsabstand - Lastausnutzung N Ed,fi/N R,d - Konstruktive Massnahmen (Querbewehrung, Ausbildung und Abstand)

15 Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen aus hochfestem, selbstverdichtendem Beton (C80/95) 15 - Betontechnologische Massnahmen (Zufügen von Kunststoff-Fasern, Zufügen von Luft, etc.) - Dichtigkeit, Permeabilität, Feuchtegehalt Für die verbauten Stützen, welche im Zeitraum zwischen Dezember 2012 und heute geliefert wurden, werden von den Kantonalen Gebäudeversicherungen richtigerweise im Nachhinein nachvollziehbare Nachweise des Feuerwiderstandes verlangt. Alphabeton AG ist sich dieser Nachweisproblematik bewusst, und hat wiederum vorsorglich eine Versuchsreihe definiert, mit welcher der Nachweis erbracht werden kann, dass der dannzumal verwendete Beton dem geprüften Beton entspricht. Dafür werden am fraglichen Bauteil Bohrkerne entnommen (z.b. Ø 40 mm). Folgende Prüfungen resp. Nachweise werden anschliessend erbracht: - die verwendete Betonmischung entspricht der geprüften (Grösse, Form und Art der Zuschläge) - Prüfung der Festigkeit (normalfester oder hochfester Beton - Beurteilung mit Dünnschliff - Bestimmung der Fasermenge Diese Arbeiten werden durch ein akkreditiertes Baustoff- Prüflabor durchgeführt. Als Ergebnis kann eine eindeutige Aussage über die verwendete Betonsorte mit oder ohne Zugabe von Kunststoff-Fasern, der verwendeten Fasermenge und ein Vergleich mit einer bekannten Referenzmischung gemacht werden. Bild 16 Vergleich Zielwert, Näherungsmethode, FEM- Berechnung, Versuch [3] SN EN :2012, Feuerwiderstandsprüfungen Teil 1: Allgemeine Anforderungen [4] SN EN :1999, Feuerwiderstandsprüfungen für tragende Bauteile Teil 4: Stützen [5] Verhalten von Betonbauteilen unter Brandeinwirkung, Dr. Walter Borgogno, Dr. Hans Rudolf Ganz, Prof. Dr. Mario Fontana, SIA, Juli 2014 [6] Nachweis des Feuerwiderstandes von Stahlbetonstützen, Christoph Ruch, Hans-Peter Felder, Die Baustellen, 4/2014 [7] Explosive spalling of concrete in fire, Eike Klingsch, Andrea Frangi, Mario Fontana, IBK Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich [8] Schreiben Normkommission SIA 262 Betonbau, Zürich vom an Alphabeton AG, Büron, betreffend normalfester/hochfester Beton, selbstverdichtender Beton, Nachweis gegen Abplatzen, etc. [9] Background Documents to EN , Eurocode 2; Design of concrete structures Part 1-2 General rules Structural fire design, 20 Mai 2003, 5 July 2004 [10] Response of High Strength Concrete Columns under Fire-Induced Biaxial Bending by Nikhil Raut, Dissertation 2011 [11] Materialverhalten von hochfestem Beton unter thermomechanischer Beanspruchung, Dipl. Ing. Sven Huismann, Dissertation an der Technischen Universität Wien, Fakultät Bauingenieurwesen, März 2010 [12] Fire Test and Calculation Methods for Circular Concrete Columns, J.-M. Franssen, J.-C. Dotreppe, Fire Technology 39, 89-97, 2003 [13] VKF Brandschutzregistereintrag Nr (direkter Anwendungsbereich von Alphabeton-Stütze) [14] VKF Brandschutzregistereintrag Nr (direkter Anwendungsbereich von Alphabeton-Stütze) [15] VKF Brandschutzregistereintrag Nr (erweiterter Anwendungsbereich von Alphabeton-Stützen) [16] Betonabplatzungen unter Feuerangriff und der Einfluss von Polypropylenfasern afu die Mikrorissbildung, Sven Huismann, Manfred Korzen, Frank Weise, Birgit Meng, 52. DAfStb-Forschungskolloquium 8 Literaturhinweise, Normen [1] SIA 262:2013 Betonbauten [2] SN EN und SN EN /NA 2014; Eurocode 2: Planung von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken Teil 1-2: Allgemeine Regeln für den Brandfall und Nationaler Anhang [17] Zur Wirkungsweise von Polypropylen-Fasern in brandbeanspruchten Hochleistungsbetonen, Klaus Pistol, Frank Weise, Dietmar Meinel, Birgit Meng, 52. DAfStb-Forschungskolloquium [18] Polypropylen-Fasern im Hochleistungsbeton - Wirkungsmechanismen im Brandfall, Klaus Pistol, Frank Weise, Birgit Meng, Beton- und Stahlbetonbau 107, Heft 7/2012

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