Neuerung für Industriebauten

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1 Neuerung für Industriebauten Industriebauten: Die Neufassung der DIN zum Brandschutz im Industriebau enthält viele Änderungen. Anhand eines Berechnungsbeispiels werden in diesem Beitrag einige Problemstellungen aufgezeigt. Ralf Heidelberg Foto: Heidelberg Abb. 1: Das Brandschutzkonzept für ein typisches Industriegebäude wird mit der neuen DIN geändert Die DIN : [1] enthält unter dem Abschnitt Anwendungsbereich, dass die Norm nur in Zusammenhang mit der MIndBauRL gilt. Sie gilt grundsätzlich für überirdische Gebäude oder Gebäudeteile im Bereich der Industrie und des Gewerbes, die der Produktion oder der Lagerung von Produkten oder Gütern dienen. Zu den Neuheiten dieser Fassung gehört, dass die zugehörigen betriebsnotwendigen Nebenräume (z. B. Büros, Sozialräume, Laborräume, Prüfstandsbereiche, Entwicklungsflächen usw.) zum Anwendungsbereich gehören. Damit werden frühere Unklarheiten beseitigt. Im Folgenden wird als Beispiel für die Änderungen in der Norm ein einfaches Industriegebäude berechnet. Beispielgebäude Die eingeschossige Industriehalle mit rechteckigem Grundriss hat Abmessungen von etwa 42 m 31 m und hat ca m² Grundfläche. Die mittlere Hallenhöhe beträgt 8,10 m. Zum südlich an die Industriehalle angrenzenden zweigeschossigen Büro und Ausstellungsgebäude besteht eine Brandabschnittstrennung durch eine Brandwand mit qualifizierten Abschlüssen. Die Objekt- bzw. Grundstückszufahrt erfolgt unter Beachtung der DIN über die anliegende Straße zum Hof. Brandlastermittlung Für den Brandbekämpfungsabschnitt (BBA) 1 ergibt sich bei eingeschossiger Bauweise folgende anrechenbare Fläche: A B = m² Die im Folgenden angegebenen Mengen sind Maximalmengen nach den Vorgaben der DIN Danach müssen für die Bemessung diejenige Brandbelastung zugrunde gelegt werden, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % nicht überschritten wird, bzw. diejenige, die in höchstens 10 % der Nutzungszeit geringfügig überschritten werden kann. Aufgrund der vorliegenden Angaben zur Nutzung des Gebäudes und nach Ermittlung der Brandlast wurde die Gesamtlagerkapazität erfasst. Für Elektroinstallationen (geringe mittlere Industrieautomatisierung) wird ein pauschaler Zuschlag von 5 kwh/m² zur ermittelten Brandlast zugrunde gelegt und für den Versandbereich ein Zuschlag von 2,75 kwh/m². Falls sich die Nutzung ändert und/ oder größere Brandlasten auftreten als im Folgenden angenommen, ergeben sich für das Objekt selbstverständlich andere Anforderungen, die eine Überprüfung und ggf. Anpassung der Randbedingungen und Brandschutzmaßnahmen erforderlich machen. Die Auswertung der Brandlasten für den BBA 1 (Industriehalle) ist in der Tabelle 1 dargestellt. Hinweis zum Abbrandverhalten Die derzeit bekannten Abbrandfaktoren (m) zum Bewertungsverfahren nach DIN [3] (Kenn- und Rechenwerte) sind in der DIN [4] veröffentlicht. Für das Abbrandverhalten spielen u.a. die Ventilationsbedingungen (Sauerstoff), Lagerungsdichte, Verteilung und Lagerhöhe sowie vom Brandraum abhängige Faktoren wie Raumgeometrie, -höhe usw. eine wichtige Rolle. Eine Erhöhung der Stapel- oder Lagerhöhe bewirkt eine schnellere Brandausbreitung (größere Oberflächen, bessere Luftzufuhr, Vorwärmung des Lagergutes). Hierfür sind erhöhte Werte der m-fak- 54 FeuerTRUTZ Magazin

2 Quelle: Heidelberg Abb.2: Lage und Geometrie des Beispielobjektes Tabelle 1: Berechnung der Brandlasten nach DIN in dem Beispielgebäude: ungeschützte Stoffe Material Lagerungsdichte Abbrandfaktor Heizwert Masse Brandlast % m H kwh/kg Hartschaum 100 0,9 11, Polyesterteile 90 0,9 5, Karton 100 0,2 4, Nitroverdünnung 100 1,0 7, KFZ-Kabel pauschal Holzverpackung pauschal Installation pauschal Versandbereich pauschal 3.671,25 Summe ,25 Rechnerische Brandbelastung: q R = q / A B = ,25 kwh / m² = 62,75 kwh/m² M kg q kwh Tabelle 1: Berechnung der Brandlasten nach DIN in dem Beispielgebäude: Geschützte Stoffe Material Lagerungsdichte Abbrandfaktor Heizwert Kombinationsbeiwert Masse Brandlast % m H kwh/kg Chlorbenzol 100 0,5 11,2 0, Methanol 100 1,0 5,4 0, Hydrauliköl 100 0,4 9,8 0, Summe Rechnerische Brandbelastung: q R = q / A B = kwh / m² = 2,70 kwh/m² Ψ M kg q kwh FeuerTRUTZ Magazin

3 Tabelle 2: Berechnung der Öffnungsflächen Bauteil Menge geometrische Fläche 85 % ansetzbar Notausgangstüren 5 1 m 2 m = 2 m² 5 = 10 m² 8,5 m² Hallentor 2 4 m 4,1 m 2 = 32,80 m² 27,5 m² (gerundet) Lichtband im Hallendach 53 m² 45 m² toren für Lagerhöhen von 4,5 m bis 9 m zu berücksichtigen, wie sie in der DIN Abschnitt 5, Bild 1 angegeben sind. Es ergibt sich für den BBA 1 folgende rechnerische Brandbelastung: q R = 62,75 + 2,7 = 65,45 kwh/m² Berücksichtigung der Öffnungen Im BBA 1 sind gemäß DIN Öffnungen je nach Ausführung anrechenbar. In die Berechnung geht die geometrische Öffnungsfläche ein. Dabei ist es zulässig, 85 % (früher 90 %) der Fläche anzusetzen, die sich aus den Rohbau- bzw. aus vergleichbaren Konstruktionsmaßen ergibt (s. Tabelle 2). Wärmeabzugsfaktor w Die rechnerische Mindestventilation von 2,5 % ist gemäß DIN Abschnitt 8 umzusetzen. Der Wärmeabzugsfaktor errechnet sich aus den bezogenen vertikalen a v und horizontalen a h Öffnungen wie folgt: a v =A v / A = 36 / = 0,027 a h =A h / A = 45 / = 0,033 w = w o α w 0,5 = 1,177 / 0,913 = 1,28 w o = 1, (0,40 a v) 4 0,5 = 2,826 / 2,40 = 1,177 1,6 + β w a h β w = 20,0 ( a v 64 a 2 v) 16 = 24,466 α w = ( 6,0 0,3 ) h = 0,913 w o Faktor zur Berücksichtigung der Öffnungsflächen α w Faktor zur Berücksichtigung der mittleren Höhe β w Grundwert h mittlere lichte Höhe Alternativ können w o und α w aus DIN Abschnitt 8.3 Bild 1 und 2 abgelesen werden. Äquivalente Branddauer t ä Die äquivalente Branddauer nach DIN , Abschnitt 4.2, ergibt sich für den einzelnen Brandbekämpfungsabschnitt aus: t ä = q R c ω q R rechnerischer Brandbelastung in kwh/m² c Umrechnungsfaktor in Minuten m²/kwh ω Wärmeabzugsfaktor Abb. 3: Bezugsflächen zur Ermittlung des Wärmeabzugsfaktors ω bei den eingeschossigen Gebäuden Der Umrechnungsfaktor c gemäß Tabelle 1 in DIN ergibt sich unter Berücksichtigung der Wärmedämmung (WF) im Dach und im Wandaufbau mit 0,20 (Sandwich-Elemente mit Wärmedämmung). t ä = 65,45 0,20 1,28 = 16,75 Minuten Erforderliche Feuerwiderstandsdauer erf t F Die Formel für die erforderliche Feuerwiderstandsdauer für Bauteile der Brandsicherheitsklasse SK b 3 lautet: erf t F = t ä γ α L t ä äquivalente Branddauer in Minuten γ Sicherheitsbeiwert α L Zusatzbeiwert Der Sicherheitsbeiwert ist γ = 1,0 (Fläche < m 2 ) für die Brandsicherheitsklasse SK b 3 gemäß DIN Tabelle 2. Da in dem Beispielgebäude keine anrechenbaren Maßnahmen wie Werkfeuerwehr, flächendeckende automatische Brandmeldeanlage oder Löschanlage vorhanden ist, muss gemäß DIN Tabelle 3 ein Zusatzbeiwert α L von 1,0 angesetzt werden. erf t F = 16,75 1,0 0,9 = 15,07 Minuten Bauteilanforderungen Bauteile, die Brandbekämpfungsabschnitte trennen, sind für den größeren Wert aus erforderlicher Feuerwiderstandsdauer erf t F und äquivalenter Branddauer t ä auszulegen. Daraus ergibt sich für diese Bauteile ein erf t F von 16,75 Minuten. Die Bauteile der Klasse SK b 3 (Ziffer 7.1 MIndBauRL) benötigen demnach mindestens eine erforderliche Feuerwiderstandsdauer von 15,07 Minuten. Die Anforderung an den Feuerwiderstand der Bauteile lautet demnach: R 30 aus Baustoffen der Klasse B (F 30-B) für tragende Bauteile des BBA 1 ohne BBA-Trennungen beim erdgeschossigen Industriebaugemäß Spalte 3 der Tabelle 8 Eine günstige brandschutztechnische Infrastruktur (α L < 1) bei der Bemessung von Decken bzw. Wänden als trennende Bauteile 56 FeuerTRUTZ Magazin

4 Tabelle 3: Erforderliche Feuerwiderstandsdauer für Bauteile der Brandsicherheitsklassen SK b 1und SK b 2 erf t F = t ä δ α L Bauteile SK b 2 Bauteile SK b 1 Brandbekämpfungsabschnitt t ä min Beiwert δ erf t F min Beiwert δ erf t F min BBA 1 16,75 0,6 10,05 0,50 8,37 zwischen Brandbekämpfungsabschnitten darf nur soweit berücksichtigt werden, wie eine flächenbezogene Erhöhung des Sicherheitsbeiwertes γ wirksam wird. Die Bauteile zur Trennung oder Überbrückung von weiteren Brandbekämpfungsabschnitten müssen mindestens der Feuerwiderstandsklasse R 30 aus nicht brennbaren Baustoffen (F 30-A) entsprechen (erf t F = 16,75). Der angrenzende Brandschutzbereich ist als Brandabschnitt (BA 2) ausgebildet, die betreffende Wand wird als Brandwand REI 90 M (F 90 A+M nach DIN 4102) ausgebildet. Analog zu den Bauteilen in der Brandsicherheitsklasse SK b 3 ergeben sich für Bauteile von untergeordneter Bedeutung in den Brandsicherheitsklassen SK b 2 und SK b 1 andere Anforderungen an die erforderliche Feuerwiderstandsklasse unter Berücksichtigung des Beiwertes α L. Hierbei werden entsprechend der DIN Tabelle 3 geringere Sicherheitsbeiwerte berücksichtigt. Da die Werte kleiner als 1 somit, wird für diese Bauteile gemäß dem Sicherheitskonzept der DIN ein begrenztes Versagen akzeptiert. Aufgrund der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer von erf t F < 15 min (nach vorstehender Berechnung) sind die Bauteile mit mittleren und geringen Anforderungen (SK b 1+2) des BBA 1 (Industriehalle) gemäß MIndBauRL in keine Feuerwiderstandsklasse einzustufen. Maximal zulässige Flächen Nach Abschnitt 7 Tabelle 9 der MIndBauRL ist für Gebäude mit einer F 0-Tragkonstruktion wie dem BBA 1 mit äquivalenter Branddauer t ä = 15 min eine maximale Fläche nach Sicherheitskategorie K1 von m² zulässig. Wenn der BBA 1 nun gemäß einem Rechenergebnis (erf t F = 15 min) in der Brandschutzklasse I (R 0/F 0) ausgeführt wird, dann ergibt sich nach Abschnitt 7.5 der MIndBauRL: F1 = 5,0 t ä = 15 min F2 = 1,0 Sicherheitskategorie 1 F3 = 1,0 Höhenlage = 0 m F4 = 1,0 1 Geschoss (Erdgeschoss) F5 = 1,0 klassifizierte Abschlüsse und Abschottungen zul. A B = m² F1 F2 F3 F4 F5 = m² Die hier vorhandene brandschutztechnische Infrastruktur ermöglicht bei einer brandschutztechnischen Auslegung der Bauteile eine BBA-Fläche von nahezu m 2. Die vorhandene Fläche liegt mit m 2 unter der zulässigen Maximalfläche, somit sind ausreichend Reserven vorhanden. Abb. 4 a und b: Definition von Geschoss und Ebene FeuerTRUTZ Magazin

5 Ebenennachweis Brandschutzbemessung im Geschossbau nach DIN Nach DIN Ziffer ist zusätzlich zum globalen Nachweis nach Ziffer bei mehreren Ebenen für jede Ebene die äquivalente Branddauer zu bestimmen. Bei Berechnung einer niedrigeren als die äquivalente Branddauer ist diese nur für die oberste Ebene anzuwenden. Ungleichmäßig verteilte Öffnungen gestalten die Berechnung aufwändiger, da gemäß dem Näherungsansatz nach Anhand B 2 der Norm die Brandübertragung in die darüber liegende Ebene mit zu berücksichtigen ist. Die Möglichkeit, Deckenöffnungen als Wärmeabzugsöffnungen anzurechnen, kann nun zu anderen Ergebnissen führen. Unter Verwendung des beschriebenen Beispiels wird im Folgenden dargestellt, welche Größe ein BBA im zweiebenigen Industriebau nach MIndBauRL haben darf, wenn die ungeschützten Stahlbauteile hier nur ein erf t F 15 Minuten haben. Das Beispielgebäude verfügt nun über eine flächendeckende, automatische Brandmeldeanlage mit Aufschaltung zur Feuerwehr, eine installierte Sprinkleranlage und eine hauptamtliche Werkfeuerwehr mit zwei Staffeln. Die rechnerische Brandbelastung wird mit 150 kwh/m² (inkl. unterstellter Brandübertragung aus der darunterliegende Ebene qri-1) und mit einem angenommenen Umrechnungsfaktor von c = 0,2 min/kwh/m². Die Bemessung, ohne Berücksichtigung der Deckenöffnungen für die Ebenen, wird als sogenannte eingeschossige Betrachtung (ω: 1,28) angenommen im globalen Nachweis: t ä,glob = 38,4 min. Der Faktor w wurde aus a h, a v und w o mit 0,5 festgestellt. 10 % der Ebenendecke und 10 % der Dachdecke werden als übereinander liegende Öffnungen umgesetzt. Die Produktionshalle mit zwei Ebenen von jeweils 8 m Höhe errechnet sich nun: t ä = q R c w = 150 0,20 0,50 = 15 Minuten erf t F = t ä γ α L = 15 1,50 (080 0,95 0,6) = 10,26 Minuten Die zulässige Fläche je Ebene in einem mehrebenigen BBA nach MIndBauRL beträgt demnach: F1 = 5,0 t ä = 15 min F2 = 3,5 Sicherheitskategorie 4 F3 = 1,0 Höhenlage = 0 m F4 = 0,8 2 Ebenen F5 = 0,4 10 % Decken- und Dachflächen zul. A B = m² F1 F2 F3 F4 F5 = m² (Ebene) Öffnungen und nicht nutzbare Flächen (10 % der Fläche) von ca m² sind von der zulässigen A B,E -Fläche abzuziehen, sodass bei dem Objekt eine nutzbare Hallenfläche von ca m² möglich wäre. Wärmebilanzberechnung als Ersatz für das Näherungsverfahren Gemäß Abschnitt 8 bzw. Ziffer 8.1 der DIN darf auf die Ermittlung des Wärmeabzugsfaktors verzichtet werden, wenn ein genauerer Nachweis unter Verwendung von Modellen der Wärmebilanztheorie geführt wird. Dies kann z. B. mit dem Mehrraum- Zonenmodells (Multi-Room-Fire-Code - MRFC) erfolgen, welches auch für Berechnungen zur neuen DIN eingesetzt wurde. Zur Ermittlung des bei der Brandsimulation aufgetretenen Wärmeabzugsfaktor w wird daher die aus der Wärmebilanzrechnung ermittelte äquivalente Branddauer durch die rechnerische Brandbelastung q r und den ermittelten Umrechnungsfaktor c dividiert. w = t ä,sim q r c Zur Berechnung der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer erf t F kann das ermittelte t ä,sim ebenso direkt verwendet werden. erf t F = t ä,sim γ α L oder erf t F = t ä,sim δ α L Das Nachweisverfahren zur Ermittlung der äquivalenten Branddauer und des Wärmeabzugs durch Brandsimulation wird in absehbarer Zeit in der DIN [5] normativ dargestellt werden, deren Gelbdruck in Kürze erwartet wird. Zusammenfassung Mit den Vorgaben der vorherigen Fassung der DIN wäre das Beispielgebäude nicht geregelt gewesen. Die Berechnung hätte lediglich behelfsweise eine Grenzwertbetrachtung (Deckenöffnung nicht angerechnet, Brandlast im EG konzentriert als eingeschossige Betrachtungsweise)ermöglicht. Man kann also feststellen, dass nach dem neuen Stand der DIN eine exaktere Erfassung von Öffnungsflächen (Wärmeabzugsflächen) hier günstigere Werte im globalen Nachweis und deutlich bessere Ergebnisse im Nachweis für einzelne Ebenen liefert. Deutlichere Unterscheide zeigen sich mit zunehmender Geschosszahl. Hierbei wird ersichtlich, dass sich die äquivalente Branddauer beim eingeschossigen Nachweis (nach der alten Fassung der Norm) mit jedem Geschoss deutlich erhöht. Fazit Bei Produktions- und Lageranlagen wird aufgrund der relativ einfachen Modifizierbarkeit bei Verfahrensänderungen das Konzept eines Apparategerüstes aus ungeschütztem Stahl bevorzugt. Diese mehrgeschossigen Gebäude ohne definierte Feuerwiderstandsdauer nach MIndBauRL sind nur mit einem Nachweis nach DIN zulässig. Daher kommt dem Rechenverfahren trotz der damit verbundenen Einschränkungen für den Gebäudebetreiber eine hohe Bedeutung zu. Festzuhalten ist, dass die Anwendung der MIndBauRL eine objektivere Bewertung geplanter und vorhandener Anlagen ermöglicht. Durch brandschutztechnisch sinnvolle zusätzliche Schutzmaßnahmen kann das Ergebnis in der erforderlichen Weise verbessert werden. Die Berechnung nach DIN zwingt mitunter dazu, bestehende Brandschutzkonzepte (z. B. bei Bestandsbauten oder Nutzungsänderungen) zu überdenken und brandschutztechnische Verbesserungen einzuführen. Gerade bei bestehenden Gebäuden kann aber die Anwendung der MIndBauRL oftmals nur als eine Erkenntnisquelle, nicht jedoch als alleiniges Entscheidungskriterium genutzt werden. Hier werden auch in Zukunft Abweichungen auf der Basis individuell abgestimmter 58 FeuerTRUTZ Magazin

6 Literatur [1] DIN : Baulicher Brandschutz im Industriebau Teil 1:Rechnerisch erforderliche Feuerwiderstandsdauer [2] DIN : Baulicher Brandschutz im Industriebau Teil 2: Ermittlung des Abbrandverhalten von Materialien in Lageranordnung Werte für den Abbrandfaktor m [3] DIN : Baulicher Brandschutz im Industriebau Teil 3: Rechenwerte [4] DIN : (in Erstellung) Baulicher Brandschutz im Industriebau Teil 4: Ermittlung der äquivalenten Branddauer und des Wärmeabzugs durch Brandsimulation [5] Schneider, U.: Ingenieurmethoden im Brandschutz, 2. Auflage. Düsseldorf: Werner, 2009 [6] Muster-Industriebaurichtlinie über den baulichen Brandschutz im Industriebau (MIndBauRL), Fassung März 2000 Innovative Brandschutzsysteme Abschottungen Kombiabschottungen Kabelabschottungen ZZ-Steine 200 BDS-N ZZ-Stopfen BDS Kompensationsmaßnahmen erforderlich bleiben. Bei der Konzepterstellung kommt die für juristische Laien verwirrende und unbefriedigende Diskussion um die rechtliche Bewertung von Richtlinien, DIN-Normen und Bauvorschriften (z. B. MIndBauRL gegen DIN 18232/18230) und die damit verbundene straf- und zivilrechtliche Haftungsfrage gegenüber dem Planer hinzu. Schlagworte für das Online-Archiv unter Bemessung, Brandlast, Industriebau Autor Ralf Heidelberg, VDI Dipl.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. (FH), baurechtlich anerkannter Sachverständiger und Fachplaner für Brandschutz, Sachverständiger für Gebäudeschäden und Immobilienbewertung Rohrabschottungen Rohrabschottungen ZZ-Brandschutzschaum 2K ZZ-Manschette aa Sicher aa Einfach Abo-Vorteil: Bankeinzug aa Nachhaltig Abonnenten des FeuerTRUTZ Magazins erhalten 3 % Rabatt bei Nutzung des bequemen Bankeinzugs. Ich zahle per Bankeinzug und erhalte 3 % Skonto. Kundennummer (falls vorhanden) Name/Vorname Fugendichtungen Starre Fuge einlagig Im Brandfall bewegte Fuge Straße PLZ/Ort Kontonummer Bankinstitut Bankleitzahl Dehn- und Bewegungsfuge zweilagig Dehn- und Bewegungsfuge einlagig Datum/Unterschrift Einfach ausfüllen und faxen an: (0221) Haben Sie Fragen? Tel.: 0221/ Fax: 0221/ abo@feuertrutz.de Exklusiv für Abonnenten. FeuerTRUTZ Magazin