Brandszenarien, Bemessungsbrände und Brandeinwirkungen nach EC 1-1-2

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1 Brandszenarien, Bemessungsbrände und Brandeinwirkungen nach EC Brandszenarien und Bemessungsbrände gemäß vfdb TB 04/01 Leitfaden Ingenieurmethoden im Brandschutz (3. überarbeitete und ergänzte Auflage 2013) Hrsg. Dietmar Hosser Brandeinwirkungen auf Tragwerke nach DIN EN und nationalem Anhang DIN EN /NA

2 Allgemeiner Zusammenhang Brandszenario (qualitativ) (ein nach Experteneinschätzung glaubhaft zu erwartendes Ereignis, für das der bauliche Brandschutz ausgerichtet werden muss) Bemessungsbrand (quantitativ) (konkretisiert das Brandszenario bezüglich der zu erwartenden Brandparameter durch [normierte] Brandverläufe) Brandeinwirkungen nach EC (konkretisiert und normiert die Bemessungsbrände für die heiße Bemessung von Tragwerken)

3 Brandschutztechnische Bemessung nach EC Brandschutzteile der Eurocodes regeln Unterschiede und Ergänzungen zur Bemessung bei normaler Temperatur Werkstoffeigenschaften Eingangsgrößen und Anwendungsgrenzen für allgemeine Rechenverfahren Konstruktionsdetails und tabellarische Bemessungswerte Vereinfachte Rechenverfahren

4 Brandschutztechnische Bemessung nach EC Es gilt immer: EC EC EC x EC x-1-2 ETK ist Grundlegend für alle Bemessungen Hydrokarbonund Außenbrandkurve sind gesondert zu betrachten (evtl. experimenteller Nachweis)

5 Brandszenarien

6 Brandszenarien Brandszenario (qualitativ) (ein nach Experteneinschätzung glaubhaft zu erwartendes Ereignis, für das der bauliche Brandschutz ausgerichtet werden muss)

7 Brandszenarien Ziele: Festlegung eines kritischen Betrachtungsereignisses Erreichung definierter Schutzziele über Orientierungsgröße: worst-credible-szenario schlimmst-glaubhaftes Szenario Risikoansatz: Nicht-100%-Abdeckung möglicher Ereignisse Akzeptiertes Restrisiko vorhanden i.v.m. Bemessungsbrand: Herstellung eines Sicherheitsniveaus (Risiko = Produkt aus Eintretenswahrscheinlichkeit und Schadenshöhe)

8 Brandszenarien Schutzziele für Bemessungsbrände: Personenschutz im Brandfall Sicherstellung der Fremdrettung z.b. durch Rauchfreihaltung Ermöglichung wirksamer Löscharbeiten (FW) Standsicherheit und Raumabschluss im Brandfall Sachwertschutz

9 Brandszenarien Veränderliche Größen im Brandszenario: Mögliche Brandorte Wege der Brandausbreitung Randbedingungen des Brandverlaufes Grundüberlegungen: Art und Menge der brennbaren Stoffe Entzündbarkeit und selbständiges Brennen Vorhandene Zündquellen Freisetzung von Brandprodukten und Verbrennungswärme Brandausbreitung (Löschmaßnahmen, Verbrennungsbedingungen etc.)

10 Brandszenarien Maßgebende Brandszenarien: Ingenieurmäßige Einschätzung ist erforderlich Erfahrungsbasierte Werte sind zu berücksichtigen Als Maßstab gelten gesellschaftlich Akzeptierte Größen / Ereignisse

11 Brandszenarien expert judgement -Experteneinschätzung zu: Lage des Brandherdes Brandlast und Brandentstehung Ventilationsbedingungen Art des Brandes Einfluss der Anlagentechnik auf Brandverlauf Einfluss der Brandbekämpfung durch FW Abschätzung des zu erwartenden Schadens Das expert judgement ist in Abgleich mit baulichen Gegebenheiten zu sehen und zu bewerten

12 Brandszenarien Szenarienwahlabhängig von: Brandraumgeometrie Brandlast, Zündquellen, Ventilationsbedingungen, Auslösung Anlagentechnik Sonderfälle (Brandstiftung, Versagen von Anlagentechnik) Szenarienwahlunabhängig von: Anlagentechnischer Ausstattung des Objekts (unabhängig, weil ex ante Gebäude ohne Anlagentechnik) (Anlagentechnik wird für kompensatorische Maßnahmen genutzt) Dennoch-Fall : ausgewählter Sonderfall deterministisch bestimmt (eindeutig festlegend) Ausfall von Brandschutzmaßnahmen (z.b. Brandwand oder Sprinklerung) Abschätzung außergewöhnlicher Brandfolgen im Einzelfall (z.b. Produktionsausfall)

13 Bemessungsbrände

14 Allgemeiner Zusammenhang Brandszenario (qualitativ) (ein nach Experteneinschätzung glaubhaft zu erwartendes Ereignis, für das der bauliche Brandschutz ausgerichtet werden muss) Bemessungsbrand (quantitativ) (konkretisiert das Brandszenario bezüglich der zu erwartenden Brandparameter durch [normierte] Brandverläufe)

15 Bemessungsbrände Theoretisches, aber mögliches Brandereignis Zusammenhang zwischen Brandparametern und zeitlicher Entwicklung Annahmen: keine Einleitung von Löschmaßnahmen Brandentstehung an nur einem Ort Brandweiterleitung /-ausbreitung zu berücksichtigen Vielzahl denkbarer Brandverläufe auf der sicheren Seite abgedeckt

16 Bemessungsbrände Eiflussgrößen auf Brandverlauf: Art der Zündung Brennbare Stoffe Charakteristische Stoffdaten Brandlast und Brandfläche Raumgeometrie Ventilation Flashover-Bedingungen Wärmespezifische Bauteildaten Verbrennungsprozess Freisetzbare Energie

17 Bemessungsbrände Zeitabhängige Freisetzung von Wärme und Brandprodukten Unterscheidung der Brände: Ventilationsgesteuert (begrenzte Luftzufuhr, quasi-unendliche Brandlast) Brandlastgesteuert (begrenzte Brandlast, unendliche Luftzufuhr) Entstehung von Bemessungsbränden: Experimente (Modell- oder Realmaßstab) Rechnerische Nachbildung Empirische Auswertung (z.b. Realereignisse) Normative Vorgaben Annahmen im Sonderfall (z.b. Lokbrand im Bahnhof)

18 Brandentwicklungsphase t 2 -Modell Geometrisches Modell

19 Vollbrandphase Wärmefreisetzung bestimmt sich als Minimum des ventilations- bzw. brandlastgesteuerten Brandes

20 Vollbrandphase Ventilationsgesteuerter Fall: Brandlastgesteuerter Fall:

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22 Brandszenario(qualitativ) (ein nach Experteneinschätzung glaubhaft zu erwartendes Ereignis, für das der bauliche Brandschutz ausgerichtet werden muss) Bemessungsbrand (quantitativ) (konkretisiert das Brandszenario bezüglich der zu erwartenden Brandparameter durch [normierte] Brandverläufe) Brandeinwirkungen nach EC 1-2 (konkretisiert und normiert die Bemessungsbrände für die heiße Bemessung von Tragwerken)

23 Brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen DIN EN DIN EN /NA + DIN EN Teil 1-1, Teil 1-2 und Nationale Anhänge (NA) Zusätzlich in der Bemessung zu beachten sind: DIN EN (Wichten) DIN EN (Schneelasten) DIN EN (Windlasten)

24 Vorgehensweise Auswahl des maßgebenden Brandszenarios Bestimmung des entsprechenden Bemessungsbrandes Berechnung der Temperaturentwicklung im Bauteil Berechnung des Tragverhaltens unter Brandbeanspruchung i.d.r. nur ein Bemessungsbrand in einem Brandabschnitt Standardisierter Brandverlauf ist ETK (Einheits-Temperatur-Zeit-Kurve)

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26 Art und Umfang der brandschutztechnischen Bemessung (Tabelle nach DIN EN )

27 Anforderungen an Bemessungsbrände Bei der Bemessung ist die Abklingphase zu berücksichtigen Für den Regelfall im Hochbau findet die ETK Verwendung Naturbrandmodelle dürfen unter Berücksichtigung des nationalen Anhangs verwendet werden Bauteile zur Trennung von Brand(-bekämpfungs-)abschnitten Zusätzliche Prüfung auf Stoßbeanspruchung nach DIN

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29 Die Oberflächentemperatur wird in EC 1-9 geregelt Emissivitätund Konfigurationsfaktor können in EC 1-9 abweichen

30 Direkte Einwirkungen = Einwirkungen Kaltbemessung Indirekte Einwirkungen = Einwirkungen Brandfall Werden nicht berücksichtigt, wenn geringfügig, günstig oder am Auflager aufgenommen Werden als Zwangsgrößen berücksichtigt in Bauteilen, die nicht vom Feuer beansprucht werden

31 Gleichzeitigkeit von Einwirkungen Brandfall ist außergewöhnlicher Bemessungssituation Lastabnahme durch Verbrennung bleibt unberücksichtigt Reduzierung der Schneelasten durch Abschmelzen unterliegt Einzelfall Einwirkungen aus industriellen Betrieb bleiben unberücksichtigt Keine Gleichzeitigkeit mit anderen außergewöhnlichen Lastfällen Berücksichtigung durch den Brand verursachter Einwirkungen (Lasterhöhung /-einschlag durch Bauteilversagen)

32 Einheits-Temperaturzeitkurve (nominell) Standardkurve Brandraum-Temperaturkurve (im Gebäude) Nachweis Tragwerk Raumabschluss von innen

33 Außenbrandkurve (nominell) Brandkurve für Bauteile außerhalb des Brandabschnittes Im Vergleich zur ETK niedrigere Höchsttemperatur (sonst gleich) Nachweis Raumabschluss nichttragende Außenwände von außen Nachweis Raumabschluss aufgesetzte Brüstungen von außen Nachweis von Tragwerken außerhalb des Fassade von Gebäuden

34 Hydrokarbon-Brandkurve (nominell) Bemessungskurve für Kohlenwasserstoffe i.d.r. für besondere Anwendungen von Flüssigkeitsbränden Untergeordnete Rolle für den Hochbau Höhere Temperaturentwicklung im Vergleich zur ETK

35 Vergleich der Bemessungsbrandkurven

36 Naturbrandmodelle für spezielle Betrachtungen Vollbrandmodell Lokalbrandmodell Allgemeine Brandmodelle (Ein-Zonen-, Zwei-Zonen- oder Feldmodelle) Modellbildung über t 2 -Ansatz Anpassung an besondere bauliche Bedürfnisse erforderlich

37 Naturbrandmodelle Nur validierte Rechenverfahren zulässig (Regelung im NA) Iterativer Berechnungsvorgang Berücksichtigung von Massen- und Energieaustausch (Kontrollvolumina) Zunehmender Detaillierungsgrad Zunehmender Rechenaufwand Ein-Zonen-Modell Mehr-Zonen-Modell (i.d.r. n=2) Feldmodelle

38 Vereinfachtes Naturbrandmodell (vollentwickelte Raumbrände) Temperaturzeitkurve Wärmefreisetzungsrate

39 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Brandentwicklung) Einstufung der Brandentwicklung nach Ausbreitungsgeschwindigkeit Sehr schnelle Ausbreitungszeiten können mit dem Wert 75s angenommen werden

40 Eingangsgrößen Naturbrandmodelle (Brandlastdichte) Klassifizierte Brandlastermittlung

41 Eingangsgrößen Naturbrandmodelle (Brandlast im Einzelfall) Spezifische Brandlastermittlung Der untere Heizwert Hu darf nach DIN oder nach nachstehender Formel ermittelt werden:

42 Naturbrandmodelle (Sicherheitskonzept) p fi : Auftretenswahrscheinlichkeit eines Schadensfeuers

43 Auftretenswahrscheinlichkeit eines Brandes in einer Nutzungseinheit (jährlich)

44 Ausfallwahrscheinlichkeit von Löschmaßnahmen p 2,1 : Ausfall der manuellen Löschmaßnahme (Löschversuch durch Nutzer) p 2,2 : Ausfallwahrscheinlichkeit der Löschmaßnahmen durch die öffentliche Feuerwehr p 3 : Ausfallwahrscheinlichkeit von Löschanlagen (wenn nicht vorh.: p 3 =1) pauschal konkret

45 p f : zulässige Versagenswahrscheinlichkeit von Bauteilen im Brandfall p fi : Auftretenswahrscheinlichkeit eines Schadensfeuers P f,fi : zulässige bedingte Versagenswahrscheinlichkeit ß fi : Zuverlässigkeitsindex

46 Versagenswahrscheinlichkeit von Bauteilen im Brandfall Wenn keine anderweitige Einschätzung, dann mittel

47 Sicherheitsbeiwert γ fi Kurve 1: Klassifizierte Brandlastermittlung Kurve 2: Spezifische Brandlastermittlung Wärmefreisetzungsrate

48 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase) Brandlastgesteuert Ventilationsgesteuert

49 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase)

50 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase) Ventilationsgesteuerter Brand mit Referenzbrandlastdicht

51 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase) Brandlastgesteuerter Brand mit Referenzbrandlastdicht

52 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase) Temperaturzeitkurve für beliebige Brandlastdichten < 1300 MJ/m² Bereich 2

53 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase) Temperaturzeitkurve für beliebige Brandlastdichten < 1300 MJ/m² Bereich 3

54 Naturbrandmodelle (Wärmefreisetzung Vollbrandphase) Temperaturzeitkurve Verlauf Bereich 1 Bereich 2 Bereich 3

55 Beispiel

56 Weitergehende Anforderungen ergeben sich aus den Eurocodes 1-9 Fortfolgend werden betrachtet: EC 2 (Stahlbeton- und Spannbetonbau) EC 3 (Stahlbau) EC 4 (Verbundbau) EC 5 (Holzbau) EC 6 (Mauerwerksbau)

57 Brandschutztechnische Bemessung nach EC Es gilt immer: EC EC EC x EC x-1-2 ETK ist Grundlegend für alle Bemessungen Hydrokarbonund Außenbrandkurve sind gesondert zu betrachten (evtl. experimenteller Nachweis)

58 Brandschutztechnische Bemessung nach EC Brandschutzteile der Eurocodes regeln Unterschiede und Ergänzungen zur Bemessung bei normaler Temperatur Werkstoffeigenschaften Eingangsgrößen und Anwendungsgrenzen für allgemeine Rechenverfahren Konstruktionsdetails und tabellarische Bemessungswerte Vereinfachte Rechenverfahren