SICHERHEITSKONZEPT FÜR DIE HEIßBEMESSUNG

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1 Ingenieure für Brandschutz SICHERHEITSKONZEPT FÜR DIE HEIßBEMESSUNG Ein neues Sicherheitskonzept bietet für die Heißbemessung von Bauteilen interessante Möglichkeiten Von Dr.-Ing. Christoph Klinzmann, hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH Brandbeanspruchung einer Stahlkonstruktion in der Simulation. Für das Brandschutzingenieurwesen bietet die Entwicklung und Einführung der Eurocodes interessante Möglichkeiten. Mit den Rechenverfahren, die in den brandschutzspezifischen Teilen der Eurocodes enthalten sind, können Bauteile und Tragwerke für den Brandfall berechnet werden, wodurch eine realistischere und damit auch wirtschaftlichere Bemessung möglich wird. Diese geht über die bislang üblichen Tabellenverfahren und die Einheitstemperaturzeitkurve als pauschale Bemessungsgrundlage hinaus, indem dem brandschutztechnischen Nachweis, der sogenannten Heißbemessung, ein Naturbrand zugrundegelegt wird. Eine Voraussetzung, um Ingenieurmethoden im Rahmen der Heißbemessung von Bauteilen anwenden zu können, sollte in Analogie zur Normalbemessung die Einbettung in ein Sicherheitskonzept sein. Darüber hinaus soll garantiert werden, dass bei Verwendung von Ingenieurmethoden und Naturbränden das gleiche und allgemein akzeptierte Sicherheitsniveau erreicht wird, wie bei den bisher üblichen Nachweisverfahren. Bislang war der Brandschutzingenieur darauf angewiesen, bei der Anwendung von Ingenieurmethoden hinreichend konservative Annahmen zu treffen, um dieses Ziel zu erreichen. Diese Vorgehensweise kann jedoch nur qualitativ erfolgen. Der zahlenmäßige Nachweis, dass das erzielte Sicherheitsniveau auf Grundlage der Annahmen genauso hoch ausfällt, wie bei der Anwendung der bislang üblichen Tabellenverfahren, war bisher nicht möglich. In Brandschutzkonzepten für Sonderbauten werden neben baulichen Schutzmaßnahmen wie Brandschutzbekleidungen von Stahlbauteilen häufig auch anlagentechnische Maßnahmen vorgesehen. Diese gewährleisten Schutzziele bei besonderen Risiken oder kompensieren Abweichungen gegenüber baurechtlichen Vorschriften. Bisher wurde der Ansatz von anlagentechnischen Schutzmaßnahmen bei der Heißbemessung von Tragwerken nicht geregelt und mussten mit den hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH Hauptsitz: Rotherstraße Berlin Phone +49 (0) Fax +49 (0) Amtsgericht Berlin-Charlottenburg HRB Geschäftsführer: Dipl.-Ing. Margot Ehrlicher, Dipl.-Inf. BW (VWA) Stefan Truthän, Dipl.-Ing. Karsten Foth Beirat: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Hosser, Dr.-Ing. Karl-Heinz Schubert Bankverbindung: Deutsche Bank P+G AG BLZ Konto-Nr IBAN-Nr. DE Swift-Code: DEUTDEDBBER Ust-IdNr. DE

2 Bauaufsichtsbehörden im Einzelfall vereinbart werden. Eine Berücksichtigung der Maßnahmen ist insofern problematisch, da sie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ausfallen bzw. unter ungünstigen Umständen nicht wirksam sein können. Der brandschutzspezifische Teil des Eurocodes 1 (DIN EN ) enthält ein Sicherheitskonzept, dass die erwähnten Unzulänglichkeiten aufgreifen und die Heißbemessung auf Grundlage von Ingenieurmethoden und Naturbränden regeln soll. Aufgrund offensichtlicher Mängel konnte die Anwendung dieses Verfahrens in Deutschland allerdings nicht zugelassen werden, weshalb das ibmb der TU Braunschweig mit der Entwicklung eines neuen Sicherheitskonzeptes beauftragt wurde. Dieses wird im Nationalen Anwendungsdokument (NAD) des Eurocodes 1 enthalten sein, das mittlerweile als Gelbdruck vorliegt und mit den Eurocodes im Jahr 2010 bauaufsichtlich eingeführt werden soll. Das Sicherheitskonzept beschreibt ein Verfahren, das Bemessungswerte für die maßgeblichen Einflussgrößen eines Brandes ermittelt. Definiert werden diese in Übereinstimmung mit dem semiprobabilistischen Teilsicherheitskonzept der Eurocodes über charakteristische Werte und Teilsicherheitsbeiwerte. Das neue Sicherheitskonzept ist gleichermaßen anwendbar für unterschiedliche Bauweisen, unterschiedliche Gebäude- und Nutzungsarten, verschiedene Definitionen der Brandeinwirkungen und verschiedene Nachweisarten. Es bietet ebenso die Möglichkeit, übliche anlagentechnische Schutzmaßnahmen bei der Festlegung des Bemessungsbrandes zu berücksichtigen. Die Methodik Das Ziel jeder Bemessung eines Bauwerks oder Bauteils ist der Nachweis, dass es bis auf ein gewisses Restrisiko in allen Situationen sicher ist. Viel zu selten macht man sich aber bewusst, dass im täglichen Leben die meisten Größen natürliche oder systembedingte Streuungen und Schwankungen zeigen und sie dadurch innerhalb gewisser Grenzen verschiedene Werte annehmen können. Sichere Bauwerke werden durch Sicherheitskonzepte mit evtl. mehreren Sicherheitselementen ermöglicht, die so festgelegt werden, dass sie einen Großteil der möglichen Werte der Eingangsgrößen abdecken. Das den Eurocodes zugrundeliegende semiprobabilistische Sicherheitskonzept verwendet zu diesem Zweck Bemessungwerte, die sich aus einem charakteristischen Wert sowie einem Teilsicherheitsbewert M zusammen setzen. Für Lasten entspricht der charakteristische Wert der 95 % Quantile, d. h. einem Wert der 95 % der Fälle abdeckt und nur in 5 % der Fälle überschritten wird, und für die Werkstofffestigkeiten der 5 % Quantile, also dem Wert der ebenfalls 95 % der Fälle abdeckt und nur in 5 % der Fälle unterschritten wird. Gegenüber dem am häufigsten auftretenden Wert, dem Mittelwert, beinhalten die charakteristischen Werte bereits einen Teil der erforderlichen Sicherheit. Ein zusätzlicher Sicherheitsabstand wird erzeugt, in dem für die charakteristischen Werte sowohl auf der Last- als auch auf der Widerstandsseite ein Teilsicherheitsbeiwert M zwischen 1,1 und 1,5 angesetzt wird. Das neue Sicherheitskonzept für die heiße Bemessung greift dieses Nachweisformat auf. Es übernimmt die Festlegungen, die unter übergeordneten Gesichtspunkten im Eurocode 0 (DIN EN 1990) getroffen wurden, hinsichtlich des erforderlichen Sicherheitsniveaus und der Kombinationsregeln für Einwirkungen für die außergewöhnliche Situation Brand. Im Brandfall sind neben den Festigkeiten und Lasten weitere Größen relevant, die ebenfalls Streuungen unterliegen und daher prinzipiell genauso behandelt werden müssen wie in der kalten Bemessung. Die maßgeblichen Einflussgrößen unterscheiden sich je nach Bauweise des Gebäudes, Naturbrandmodell und Nachweisverfahren. Beispielsweise ist für Bauteile mit größerer Feuerwiderstandsdauer, wie bekleideten Stahl- und Betonbauteilen, die Dauer des Brandes maßgebend, die hauptsächlich von der vorhandenen Brandlast bestimmt wird. Hingegen ist bei unbekleideten Stahlbauteilen die Brandentwicklungsphase entscheidender, welche wiederum von der maximalen Wärmefreisetzungsrate bzw. der Brandentwicklungsgeschwindigkeit abhängt. Seite 2

3 Das Sicherheitskonzept für die heiße Bemessung definiert daher zusätzlich charakteristische Werte für die maßgeblichen Eingangsgrößen des Brandereignisses und führt einen Teilsicherheitsbeiwert M, fi als weiteres Sicherheitselement ein. Bei der Nachweisführung bleiben die Festlegungen der kalten Bemessung grundsätzlich erhalten. Aufgrund der Tatsache, dass ein Branderereignis einen außergewöhnlichen Lastfall darstellt, wird der Nachweis für die außergewöhnliche Lastfallkombination mit einem Teilsicherheitsbeiwert von M=1,0 für die Materialseite geführt. Werden die üblichen Tabellenverfahren auf Grundlage der Einheitstemperaturzeitkurve angewendet, wird der Nachweis für das in der Bauordnung oder der jeweiligen Sonderbauvorschrift vorgegebene Kriterium bzw. für den entsprechenden Zeitpunkt (z. B. feuerbeständig, d. h. zur 90. Minute) erbracht. Bei Anwendung der allgemeinen Rechenverfahren der verschiedenen Eurocodes und einem Naturbrand gilt dieses Kriterium nicht mehr, da sich das Erwärmungs- und Verformungsverhalten der Bauteile gegenüber der Erwärmung nach der Einheitstemperaturzeitkurve verändert. In diesem Fall müssen die Schnittgrößen und Festigkeiten in Abhängigkeit der Temperaturentwicklung im Bauteil ermittelt und der Nachweis dann für den ungünstigsten Zeitpunkt geführt werden. Dieser ist nicht vorab ersichtlich. Damit sichergestellt ist, dass dieser Zeitpunkt auch tatsächlich erreicht worden ist, sollte ein Naturbrand im Allgemeinen bis zu dem Zeitpunkt gerechnet werden, an dem die Raumtemperaturen wieder das Ausgangstemperaturniveau erreicht haben. Der Bemessungsbrand Zum gegenwärtigen Stand der Technik geht der Bemessungs- oder Naturbrand in Form einer Energiefreisetzungsrate in die verschiedenen Modellarten, etwa Zonenmodelle (z. B. CFAST) oder Feldmodelle (z. B. FDS), ein. Ist die geplante Nutzung des Gebäudes bekannt, kann die Brandlast im Raum näher bestimmt werden auf Grundlage von Daten aus der Literatur oder aus einer Ermittlung im Einzelfall. Zusätzlich sind Angaben zur maximal durch das Brandereignis umgesetzten Energie Q, zur Brandentwicklungsgeschwindigkeit v sowie dem Maximum der Energiefreisetzungsrate Q`max erforderlich (Abbildung 1). Je nach Art des Materials und der baulichen Durchbildung kann eine jeweils andere Größe für das Versagen eines Bauteils maßgebend sein. Um das gleiche Sicherheitsniveau wie bei der kalten Bemessung zu gewährleisten, sind auch bei der heißen Bemessung Sicherheitselemente erforderlich. Beispielsweise ist die Brandlast in einem Gebäude über die Nutzungsdauer des Gebäudes hochgradig variabel. Zusätzlich kann aber auch die Art und Geschwindigkeit der Brandentwicklung nicht oder nur in geringem Maße vorhergesagt werden. Bei der Nutzung von Daten aus der Literatur, etwa dem vfdb-leitfaden, war beispielsweise bislang die Verwendung einer 80 % Quantile der Brandlastdichte als Sicherheitselement üblich. Anlagentechnische Maßnahmen wurden in der Regel in Abstimmung mit der Feuerwehr und Bauaufsichtsbehörden bei der Heißbemessung nicht angesetzt. Das neue Sicherheitskonzept sieht für die Brandlastdichte und das Maximum der Energiefreisetzungsrate vor, die 90 % Quantile als charakteristischen Wert zu verwenden. Dieser Wert wird zusätzlich mit einem Teilsicherheitsbeiwert M,fi multipliziert, der zum einem abhängt von den Sicherheitsanforderungen des Gebäudes, aber auch von der Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines Brandes, den vorhandenen Schutzmaßnahmen, z. B. Sprinkleranlagen, und dem wahrscheinlichsten Zeitpunkt des Feuerwehreinsatzes. Abbildung 2 zeigt, dass für M,fi auch Werte unter 1 möglich sind. Damit erreicht man nun in vielen Fällen, bei denen bisher Schutzmaßnahmen nicht angesetzt werden konnten, mit dem neuen Sicherheitskonzept ähnliche Sicherheitselemente (ca. 80 % Quantile) wie bisher. Dies bedeutet, dass mit dem neuen Sicherheitskonzept nicht zwangsläufig höhere Sicherheitsanforderungen an die Bauteile einhergehen, sondern dass eine an die Anforderungen und die Ausstattung eines Gebäudes angepasste wirtschaftliche Bemessung möglich wird. Seite 3

4 Abbildung 1: Zusammenhang zwischen Energiefreisetzungsrate, Gesamtbrandlast und Brandentwicklungsgeschwindigkeit bei gleicher maximaler Energiefreisetzung und gleicher Gesamtbrandlast Ausgangspunkt für die Festlegungen im Rahmen des Sicherheitskonzepts waren umfangreiche Untersuchungen im Rahmen eines Forschungsvorhabens am ibmb der TU-Braunschweig. Diese haben gezeigt, dass in der Mehrzahl aller Fälle auch bei dem Vorhandensein von anlagentechnischen Maßnahmen der Vollbrand, d. h. der Brand bei dem diese Maßnahmen versagen, den größten Risikobeitrag leistet. Die anlagentechnischen Maßnahmen gehen daher über ihre Ausfallwahrscheinlichkeit in das Sicherheitskonzept ein. Je geringer diese Ausfallwahrscheinlichkeit ist, desto geringer sind die Anforderungen an die baulichen Brandschutzmaßnahmen der Bauteile (Bekleidungsdicke, Betondeckung, etc.). Die Ausfallwahrscheinlichkeiten gehen in den sogenannten Zuverlässigkeitsindex β fi für den Brandfall ein, der wiederum die Eingangsgröße in das Diagramm in Abbildung 2 darstellt. Er markiert die erforderliche Sicherheit im Brandfall und seine Höhe bedingt die Höhe des Teilsicherheitsbeiwertes M,fi. Das Sicherheitskonzept stellt die benötigten Zahlenwerte für die Ausfallwahrscheinlichkeiten der anlagentechnischen Maßnahmen bereit. Seite 4

5 Abbildung 2: Zusammenhang zwischen Zuverlässigkeitsindex β fi und Teilsicherheitsbeiwert γ fi Fazit Das neue Sicherheitskonzept bietet für die Heißbemessung von Bauteilen interessante Möglichkeiten. Durch die Berücksichtigung von anlagentechnischen Maßnahmen können Bauteile nun mit einem Verfahren, das durch umfangreiche Analysen abgesichert ist, wirtschaftlicher und bedarfsorientierter bemessen werden. Mit dem neuen Verfahren kann nun erstmals das vorhandene Sicherheitsniveau quantifiziert werden. Auch wenn das Verfahren erst mit der Einführung der Eurocodes verbindlich geregelt wird, wird es bei hhpberlin bereits heute eingesetzt, um die beschriebenen Vorteile für die Kunden zu nutzen. Seite 5