Bachelorarbeit. Brandschutznachweise im Stahl- und Stahlverbundbau nach Eurocode. (Zusammenfassung) Aufgabensteller: Prof. Dr. Ing.

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1 Bachelorarbeit Brandschutznachweise im Stahl- und Stahlverbundbau nach Eurocode (Zusammenfassung) Aufgabensteller: Prof. Dr. Ing. Othmar Springer Bearbeiter: Martin Paulus September 2010 Seite 1

2 Einführung: Ziel dieser Bachelorarbeit war es, die brandschutztechnischen Nachweise im Stahl- und Stahlverbundbau nach den Eurocodes 3 und 4 aufzuarbeiten und einen Überblick über die Möglichkeiten der Bemessung zu verschaffen. Ein Schwerpunkt wurde dabei auf das vereinfachte Rechenverfahren gelegt, da dies es erstmalig ermöglicht, unter vereinfachten Annahmen einen rechnerischen Nachweis zu führen. Hierzu wurden in dieser Bachelorarbeit unterschiedliche Rechenbeispiele aufgeführt, die die Vorgehensweise noch mal verdeutlichen und vertiefen sollen. Das erweiterte Berechnungsverfahren wurde aufgrund der komplexen Zusammenhänge und des enormen Umfangs nur allgemein erläutert. Inhalt: Einführend in die Grundlagen der Bemessung wird zunächst auf die Einwirkungen im Brandfall eingegangen. Die thermischen Einwirkungen werden dabei über unterschiedliche Temperaturzeitkurven, welche im Eurocode angeboten werden, erfasst. Bild: Nominelle Temperaturzeitkurven nach DIN EN Bei den mechanischen Einwirkungen wird im Eurocode zwischen den direkten und den indirekten Einwirkungen unterschieden. Die charakteristischen Einwirkungen werden wie im semiprobabilistischen Sicherheitskonzept der Eurocodes üblich, zu einer maßgebenden Einwirkung E fi,d,t kombiniert. Im Brandfall handelt es sich hierbei um eine außergewöhnliche Bemessungssituation. Seite 2

3 E fi,d,t = E γ G + A + ψ Q + GA, j k, j d 1,1 k,1 j 1 i> 1 ψ Q 2, i k, i Neben den Einwirkungen im Brandfall, sind bei der Bemessung auch die temperaturabhängigen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Hierbei werden für den Stahl und für den Beton die unterschiedlichen Materialeigenschaften (Dehnung, spez. Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit) aufgeführt. Bei der Bemessung im Brandfall müssen die Materialkennwerte durch Abminderungsfaktoren berücksichtigt werden. Der Nachweis des Brandschutzes kann seit der Einführung der Eurocodes auf 3 verschiedenen Ebenen geführt werden. In der folgenden Tabelle sind die einzelnen Nachweisebenen dargestellt: Ebene Bezeichnung Nachweisformat 1 Bemessungswerte in Tabellenform Überprüfung maßgebender Parameter Klassifizierung 2 einfache Bemessungsverfahren Tragfähigkeitsnachweis kritische Temperatur E fi,d,t < R fi,d,t θ a, d < θ a, cr, d 3 erweiterte Berechnungsverfahren vollständige thermische und mechanische Analyse (FEM) t fi, d t fi, requ E fi,d,t < R fi,d,t θ < θ a,d a, cr, d Tabelle: Möglichkeiten der Brandschutznachweise nach Eurocode Ebene 1: Der brandschutztechnische Nachweis mit Hilfe von Bemessungstabellen liegt im Allgemeinen stark auf der sicheren Seite, es handelt sich im Vergleich zu den rechnerischen Verfahren um einen konservativen Nachweis. Er entspricht dem Vorgehen nach der DIN Im Eurocode 3 für Stahlbau ist diese Ebene jedoch nicht enthalten. Ebene 2: Wirklichkeitsnäher wird das Tragverhalten durch die aufwändigeren einfachen Bemessungsverfahren wiedergegeben. Hier ist es erstmalig möglich einen rechnerischen Nachweis aufgrund vereinfachter Annahmen zu führen. Hierzu bietet der Eurocode zwei verschiedene Möglichkeiten an: Nachweis der Tragfähigkeit: Der Bemessungswert der maßgebenden Beanspruchung im Brandfall E fi,d,t darf zu jedem Zeitpunkt t nicht größer sein, als der entsprechende Bemessungswert der Beanspruchbarkeit des Bauteils im Brandfall R fi,d,t. Bei der Ermittlung der Beanspruchbarkeit muss das Materialverhalten der Bauteile unter erhöhten Seite 3

4 Temperaturen über Abminderungsfaktoren berücksichtigt werden. Nachweis der kritischen Temperatur: Alternativ kann auch nachgewiesen werden, dass die Stahltemperatur im Bauteil θ einen kritischen Wert θ nicht überschreitet. Die kritische a, d a, cr, d Temperatur ist dabei die Temperatur im Bauteil, bei welcher die Festigkeiten des Stahls soweit gesunken sind, dass der Grenzzustand der Tragfähigkeit erreicht ist. Ebene 3: Das erweiterte Berechnungsverfahren erfordert eine vollständige thermische und mechanische Analyse des Bauteils oder Tragwerks. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge und des enormen Umfangs ist dieser Nachweis nur mit Hilfe spezieller Software durchführbar. In Deutschland darf dieses Verfahren bislang nur nach Freigabe durch die Bauaufsichtsbehörde angewendet werden. In dieser Bachelorarbeit werden zunächst für den Stahlbau (Eurocode 3) die unterschiedlichen Möglichkeiten den Brandschutznachweis zu führen, aufgezeigt. Beginnend mit der Ermittlung der Stahltemperatur, wird anschließend der Nachweis auf Tragfähigkeitsebene, sowie der Nachweis auf Temperaturebene erläutert. Weiterhin werden Bemessungs-Nomogramme erklärt, die den relativ aufwendigen Rechenaufwand vereinfachen sollen. Zum besseren Verständnis wird am Beispiel eines ungeschützten Deckenträgers die verschiedenen Nachweismöglichkeiten noch mal erläutert. Für den Stahlverbundbau (Eurocode 4) wird zunächst auf das Bemessungsverfahren nach Tabellen eingegangen. Aufgeteilt in die jeweils verschiedenen Verbundträgerarten werden zunächst die verschiedenen Tabellenwerke aufgeführt und am Beispiel einer Verbundstütze der Nachweis konkret erläutert. Für das vereinfachte Bemessungsverfahren, werden zunächst für die Verbundträger und Verbundstützen die Nachweise erklärt. Am Beispiel einer Verbundstütze mit Kammerbeton wird das Vorgehen noch mal genau erläutert und vertieft. Nachfolgend ist noch einmal das Inhaltsverzeichnis dieser Bachelorabeit wiedergegeben. Seite 4

5 Inhalt 1. Einleitung Brandschutz im Bauordnungsrecht Europäische Normung Grundlagen der Bemessung Einwirkungen im Brandfall Thermische Beanspruchungen Mechanische Beanspruchungen Temperaturabhängige Materialeigenschaften Stahl Beton Brandschutznachweise im Stahlbau nach Eurocode Nachweis mit vereinfachten Berechnungsverfahren Entwicklung der Stahltemperatur ungeschützte, innen liegende Stahlkonstruktion geschützte, innen liegende Stahlkonstruktion Nachweis auf Tragfähigkeitsebene Querschnittsklassifizierung Zugbeanspruchte Bauteile Bauteile unter zentrischer Druckbeanspruchung Biegung mit und ohne Querkraft Beanspruchung durch ein- oder zweiachsige Biegung & Drucknormalkraft Nachweis auf Temperaturebene Bemessungshilfsmittel Auf Zug oder Biegung beanspruchte Bauteile Bauteile mit zentrischen Druck Nachweis mit allgemeinem Berechnungsverfahren Beispiel: ungeschützter Deckenträger (vereinfachtes Verfahren) Nachweis unter Normaltemperatur Ermittlung der Stahltemperatur Nachweis im Brandfall auf Tragfähigkeitsebene Nachweis im Brandfall auf Temperaturebene Nachweis mit Bemessungs-Nomogramm Brandschutznachweise im Stahlverbundbau nach Eurocode Klassifizierung der Bauteile nach Tabellen Verbundträger mit Kammerbeton Verbundstützen mit vollständig einbetonierten Stahlquerschnitten Verbundstützen mit Kammerbeton Verbundstützen aus betongefüllten Hohlprofilstützen Nachweis mit vereinfachten Berechnungsverfahren Verbundträger mit kammerbetonierten Stahlträgern Verbundträger ohne Betonüberdeckung Verbundstützen Nachweis mit allgemeinem Berechnungsverfahren.. 51 Seite 5

6 4.4. Beispiel 1: Verbundstütze (Klassifizierung nach Tabellen) Beispiel 2: Verbundstütze mit Kammerbeton (vereinfachtes Verfahren) Überprüfung der Anwendungsgrenzen Flansche des Stahlquerschnitts Steg des Stahlquerschnitts Kammerbeton Bewehrungsstäbe Bemessungswert der Grenznormalkraft Literatur Seite 6

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