Grundlagen der Bemessung von intumeszierenden Brandschutzsystemen im Stahlbau

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1 Grundlagen der Bemessung von intumeszierenden Brandschutzsystemen im Stahlbau Dr. Elio Raveglia 17. März 2009 Institut für Baustatik und Konstruktion - Gruppe Stahl- Holz- und Verbundbau Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Datum Brandversuch an Stahlstützen geschützt mit intumeszierenden Brandschutzsystemen 1

2 Brandschutz im Stahlbau Inhalt der Präsentation Einführung Auswertungs- und Bemessungsverfahren Qualitätssicherung der Trockenschichtdicke Brandverhalten von Stahlteilen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Folgerungen 2

3 Einführung Einführung - Anwendung Stützen Träger Stahlstrukturen 3

4 Einführung - Aufbau d g = 0.05 mm d p = mm d d =005mm 0.05 Einführung - Wirkungsweise Stahltemperatur [ C] Temperatur - Zeit Diagramm Brandzeit [Min] Elio Dr. Raveglia Elio Raveglia

5 Einführung - Wirkungsweise Aufgeschäumte Dicke zwischen mm d.h. 10 bis 100 -fache der Trockenschichtdicke Elio Dr. Raveglia Elio Raveglia SZS VBSF Steeldoc - Abendveranstaltung 02/06 5

6 www. Einführung - Brandeinwirkung 1200 Nominelle Temperaturkurven Gastem mperatur in Bauteilnähe [ C] ISO 834 Normbrandkurve Hydrocarbon-Brandkurve Externe Brandkurve Brandzeit [Min] Elio Dr. 1 Raveglia Elio Raveglia

7 Einführung - Brandeinwirkung 1200 Nominelle Temperaturkurven Gastem mperatur in Bauteilnähe [ C] C 945 C ISO 834 Normbrandkurve 1100 C Brandzeit [Min] Elio Dr. 12Raveglia Elio Raveglia Einführung Feuerwiderstand von Stahlteilen Erwärmung von Stahlprofilen ISO 834 Normbrandkurve HEA 100 HEM 240 Temperatur [ C] HEM HEA Brandzeit [Min] Elio Dr. 13Raveglia Elio Raveglia

8 Einführung Feuerwiderstand von Stahlteilen Profilfaktor = A V HEA 100 A V = 265 m -1 A HEM 240 = V 73 m -1 Elio Dr. 14Raveglia Elio Raveglia Auswertungs- und Bemessungsverfahren 8

9 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich A m /V < 300 m mm < 250 m mm < 200 m mm < 160 m mm < 100 m mm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich < 300 m mm HEA 140 < 250 m mm < 200 m mm A m /V = 252 m -1 < 160 m mm HEM 160 < 100 m mm A m /V = 99 m -1 9

10 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich Θ cr = 500 C N d < 300 m mm < 250 m mm < 200 m mm < 160 m mm < 100 m mm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich Θ cr = 500 C N d < 300 m mm < 250 m mm < 200 m mm < 160 m mm < 100 m mm Θ cr ist vom Ausnutzungsgrad μ fi,t abhängig! μ fi,t = E d,fi R d,fi, t=0 10

11 Feuerwiderstand von Stahlbauteilen Ausnutzungsgrad Ausnutzungsfaktor μ fi,t μ fi,t = N ed N k,rd Profil stark ausgenutzt μ gross Profil wenig ausgenutzt μ klein Elio Dr. 20Raveglia Elio Raveglia Profil stark ausgenutzt μ gross Ausnutzungsfaktor μ fi,t μ fi,t = N ed N k,rd Profil wenig ausgenutzt μ klein Elio Dr. 21Raveglia Elio Raveglia

12 Profil stark ausgenutzt μ gross Ausnutzungsfaktor μ fi,t μ fi,t = N ed N k,rd Profil wenig ausgenutzt μ klein f y,θ Θ cr Θ cr Elio Dr. 22Raveglia Elio Raveglia Profil stark ausgenutzt μ gross Ausnutzungsfaktor μ fi,t μ fi,t = N ed N k,rd Profil wenig ausgenutzt μ klein f y,θ f y,θ Θ cr Θ cr Θ cr Θ cr Elio Dr. 23Raveglia Elio Raveglia

13 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur 1.0 minderungsfaktor, k Θ [-] Ab % 60 % k E,Θ = E a,θ E a, C k y,θ = f y,θ f y, Stahltemperatur Θ a [ C] Zum Beispiel: μ fi,t = E d,fi R d,fi, t=0 1 μ = = 68% Eurocode 3, Teil 1.2, SIA 263 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Charakterisierung der Verkleidungsmaterialien Die Wärmeleitfähigkeit Die Isolationswirkung von intumeszierenden Brandschutzsystemen ist charakterisiert durch die Wärmeleitfähigkeit λ: λ [W/m K] Unter der Wärmeleitfähigkeit λ versteht man die Wärmemenge, die während eines Zeitintervalls durch zwei gegenüberliegende Flächen eines Würfels aus Stahl von 1 m Kantenlänge fliesst, wenn die Temperatur dieser beiden Flächen um 1 C verschieden ist und die übrigen Seitenflächen des Würfels gegen Wärmeabgabe isoliert sind 13

14 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Erwärmung von verkleideten Stahlprofilen Einfluss der Wärmeleitfähigkeit Stahlteil Verkleidung λ gross Auswertungs- und Bemessungsverfahren Erwärmung von verkleideten Stahlprofilen Einfluss der Wärmeleitfähigkeit Stahlteil Verkleidung λ klein 14

15 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Stahltemperatur Θ a [ C] Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= mm Stütze IPE 200 A p/v = 269 m 1 d p= mm Brandzeit [Min] Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= mm Stütze HEM 280 A p/v = 70 m 1 d p= mm Stütze HEB 450 A p/v = 95 m 1 d p= mm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Stahltemperatur Θ a [ C] Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= mm Stütze IPE 200 A p/v = 269 m 1 d p= mm Brandzeit [Min] Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= mm Stütze HEM 280 A p/v = 70 m 1 d p= mm Stütze HEB 450 A p/v = 95 m 1 d p= mm Grundgleichung für die Bestimmung von λ: ΔΘ = λ A Θ Θ ( ) Δ t p p a g a dp ca ρ a V 15

16 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit 800 λp Ap ΔΘ a = ( Θg Θa) Δt d c ρ V p a a 700 Stütze IPE 200 A p /V = 269 m -1 d p = mm Temperatur λ [W/m K] C Stahltemperatur Θ a [ C] S C C C C C Zeit [Min] C C Bezüglich der Trockenschichtdicke Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur Euronomogramm 16

17 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur Euronomogramm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur z.b. IPE C A m /V = 226 m -1 Θ cr = 588 C d p R60: 1.8 mm Euronomogramm 17

18 Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur Euronomogramm Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen 18

19 Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Risse! 19

20 Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Temperatur [ C] T13 T14 T15 T16 T17 T18 A/V=160, nackt Brandzeit [Min.] 20

21 Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Temperatur [ C] T31 T32 T33 T34 T35 T36 A/V=100, nackt Brandzeit [Min.] Qualitätssicherung der Trockenschichtdicke 21

22 Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Mittelwert Standardabweichung mm mm Variationskoeffizient 13.36% Kleinster Wert Grösster Wert mm mm Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Mittelwert Standardabweichung mm mm Variationskoeffizient 13.36% Kleinster Wert Grösster Wert mm mm 22

23 Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Mittelwert mm Anzahl Messungen Standardabweichung mm Variationskoeffizient 13.36% Kleinster Wert Grösster Wert mm mm Mittelwert Trockenschichtdicke Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Anzahl Messungen Qualitätsanforderungen des SZS: 20 Messpunkte pro Teilfläche (500cm 2 ),davon müssen 18 mindestens die geforderte Trockenschichtdicke aufweisen 10%-Fraktilwert 13% bis 47% 10%-Fraktilwert Mittelwert (Wert aus den Brandversuchen) Trockenschichtdicke 23

24 Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Anzahl Messungen z.b. IPE 270 Fall 1: Trockenschicktdicke mit kleiner Streuung A m /V = 226 m -1 Θ cr = 588 C d p R60: 1.8 mm 10%-Fraktilwert Mittelwert 1.8 mm 2.0 mm Trockenschichtdicke Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Anzahl Messungen z.b. IPE 270 Fall 2: Trockenschicktdicke mit grosser Streuung A m /V = 226 m -1 Θ cr = 588 C d p R60: 1.8 mm 10%-Fraktilwert Mittelwert 1.8 mm 3.0 mm Trockenschichtdicke 24

25 Brandverhalten von Stahlteilen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Einführung 25

26 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Einführung The force of the impact and the resulting debris field and fireballs probably compromised spray applied fire protection of some steel members in the immediate area of impact. The exact extent of this damage will probably never be known, but this likely resulted in greater susceptibility of the structure to fire-related failure Federal Emergency Management Agency Report Nr. 403 World Trade Center Building Performance Study Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandversuche an Stahlplatten mit lokal fehlender Brandschutzfläche 26

27 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandversuche an Stahlplatten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche 27

28 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlplatten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Aufgeschäumter Brandschutzanstrich fehlende Brandschutzfläche Stahlplatte Brandversuche an Stahlplatten mit fehlender Brandschutzfläche Fixierung der Thermoelemente 28

29 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlplatten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Temperatur [ C] T1 Brandversuch 200 T1 ABAQUS Tmitt. Brandversuch 100 Tmitt. ABAQUS 0 Temperatur im Brandraum Brandzeit [Min] Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Einführung 29

30 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche N ed = 0.6 N k N ed = 0.6 N k N ed = 0.6 N k N ed = 0.6 N k 3000 mm fehlende Brandschutzfläche fehlende Brandschutz mm fläche 3000 mm fehlende Brandschutzfläche fehlende Brandschutzfläche 750 mm Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Feuerwiderstand in Abhängigkeit der fehlenden Brandschutzfläche N ed = 0.6 N k erwiderstand [Min] Feue HEA 200, A m /V = 211 m -1 IPE 180, A m /V = 292 m -1 HEM 160, A m /V = 99 m mm fehlende Brandschutzfläche fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] 30

31 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Feuerwiderstand in Abhängigkeit der fehlenden Brandschutzfläche N ed = 0.6 N k erwiderstand [Min] Feue /4 h 1/2 h HEA 200 fehlende Brandschutzfläche mm fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche N N N ed = 0.6 N k 1/2 h fehlende Brandschutzfläche 1/4 h kurze Pendelstütze! 750 mm 31

32 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche 80 Feuerwiderstand in Abhängigkeit der fehlenden Brandschutzfläche N ed = 06 N 0.6 N k HEA 200 Feuerw widerstand [Min] fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlstützen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Feuerwiderstand in Abhängigkeit der fehlenden Brandschutzfläche N ed = 0.6 N k 80 Feuerw widerstand [Min] R30 R60 HEM 160 HEA 200 IPE mm fehlende Brandschutzfläche fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] 32

33 Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Die Robustheit, richtige Applikation und Reparatur der Verkleidung spielen eine entscheidende Rolle! Schlussfolgerungen Intumeszierende Brandschutzsysteme besitzen gewisse Vorteile gegenüber anderen passiven Brandschutzsystemen. Dank der geringen Trockenschichtdicke sind diese Brandschutzsysteme kaum von den üblichen Korrosionsbeschichtungen zu unterscheiden. Die Tragstruktur bleibt sichtbar und die Brandschutzanforderungen erhalten. Die Dimensionierung mit Hilfe der neuen Bemessungsmethode berücksichtigt den Ausnutzungsgrad und erlaubt Einsparungen in der Trockenschichtdicke (Kosten) Die Qualitätsanforderungen bezüglich der Trockenschichtdicke sind sehr wichtig und dbeeinflussen ifl die Sih Sicherheit hiterheblich hblih Fehlende Brandschutzfläche verringert den Feuerwiderstand deutlich. Dieser Aspekt unterstreicht die grosse Bedeutung periodischer Inspektionen und eines sorgfältigen Unterhalts der Brandschutzbeschichtung 33

34 Raveglia E.: Grundlagen der Bemessung von intumeszierenden Brandschutzsystemen im Stahlbau. Vdf Hochschulverlag, ISBN Nr : , 1. Auflage. Zürich elio@alumni.ethz.ch Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 34