Konstruktiver Brandschutz

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1 Konstruktiver Brandschutz Ninja Wohlfeil ag engineering GmbH & Co. KG Robert-Bosch-Straße 9 D Langen wohlfeil@ag-engineering.de Brand in einer Lagerhalle Foto: Dr.-Ing. Heiko Merle Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

2 Was bedeutet Konstruktiver Brandschutz? Der konstruktive Brandschutz soll die ausreichende Standsicherheit von Gebäuden bis zur vollständigen Evakuierung oder erfolgreichen Brandbekämpfung gewährleisten. Prof. Ernst Achilles (Von 1966 bis 1989 Leiter der Feuerwehr der Stadt Frankfurt a. M.) Auszug aus Chancen und Risiken des Brandschutzes, 1997 Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

3 Was bedeutet Konstruktiver Brandschutz? Ein Schritt zurück: Im Brandschutzkonzept (Fachplaner oder Nachweisberechtigter für Brandschutz) werden die vorbeugenden Brandschutzmaßnahmen festgelegt in Abhängigkeit von Gebäudeklasse und Nutzung (Sonderbau?), z. B.: Brandabschnitte, Flucht- und Rettungswege Anforderungen an Türen (T30, T60, RS) Feuerwiderstandsklassen der Bauteile (F30, F60, F90) Baustoffklassen (A, B1, B2) Entrauchung und Belüftung Gebäudetechnik (Sprinkler, Brandmeldeanlage, ) Bemessung für den Brandfall durch Tragwerksplaner, so dass die Vorgaben des Brandschutzkonzeptes für die verschiedenen Bauteile erfüllt werden. Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

4 Was bedeutet Konstruktiver Brandschutz? Zusammenarbeit von Brandschutz- und Tragwerksplaner in frühem Planungsstadium erforderlich, denn die Brandschutzanforderungen wirken sich auf die Konstruktion aus: auf die Gebäudegeometrie (Wand- und Deckenstärken, Geschosshöhen, Mindestabmessungen Rettungswege bzw. Feuerwehrangriffswege) auf die verwendeten Baustoffe (A1 Stahl, Beton; B2 Holz) auf die für die Bemessung anzusetzenden Lasten (Verkehrslasten in Fluchtwegen, Lasten aus Sprinklertank oder Notstromaggregat) Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

5 Was bedeutet Konstruktiver Brandschutz? Schutzziele (HBO 14 (1)): Entstehung eines Brandes vorbeugen Ausbreitung von Feuer und Rauch vorbeugen Wirksame Rettungs- und Löscharbeiten ermöglichen Das heißt, durch die Art, wie wir bauen, unterstützen/ermöglichen wir die Arbeit der Feuerwehr. vorbeugender Brandschutz baulich konstruktiv anlagentechnisch betrieblich organisatorisch z. B. Flächen f. d. Feuerwehr Löschwasserbereitstellung Konstruktive Auslegung der Bauteile zwecks Erreichen der Schutzziele z. B. Brandmeldeanlagen Sprinkler RWA Brandschutzklappen z. B. Wartung der Anlagen Kennzeichnung von Fluchtwegen Brandschutzordnung Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

6 Anforderungen nach HBO 2011 (alt), Anlage 1 Auszug aus: Kurzbezeichnungen nach DIN 4102: Kombination der Feuerwiderstands- und Baustoffklassen nach DIN und -1 Achtung! Änderungen in HBO 2018 Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

7 Anforderungen nach HBO 2018 Anlage 1 entfällt 29 entspricht Erläuterungen zu Anlage 1 Bauteile: Baustoffe mindestens: feuerbeständig F90-AB in wesentlichen Teilen nichtbrennbar hochfeuerhemmend feuerhemmend F60-BA F30-B tragende/aussteifende Teile brennbar, Bekleidung/Dämmung nichtbrennbar normalentflammbar Tragfähigkeit Raumabschluss Detaillierteres zu einzelnen Bauteilen in 30 ff Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

8 Klassifizierung der Bauteile nach DIN : (Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen Teil 2: Bauteile; Begriffe, Anforderungen und Prüfungen) auf der Grundlage genormter Brandversuche Feuerwiderstandsklasse Feuerwiderstandsdauer in Minuten Bauaufsichtliche Benennung F feuerhemmend F hochfeuerhemmend F feuerbeständig F F Festigkeitsprüfung unter Brandbeanspruchung (Temperaturentwicklung entsprechend ETK) Während der geforderten Feuerwiderstandsdauer müssen bestimmte Kriterien erfüllt sein: - kein Bauteilversagen - Begrenzung der Durchbiegungsgeschwindigkeit Löschwasserversuch (Bekleidungen ab F 90) / Kugelstoßversuch Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

9 Klassifizierung der Bauteile nach DIN EN Nachweis nach europäisch harmonisierten Normen oder Europäischen Technischen Bewertungen/Zulassungen Bedeutung der Kurzzeichen: R (Résistance) E (Étanchéité) I (Isolation) M (Mechanical) Tragfähigkeit Raumabschluss Hitzeabschirmung unter Brandeinwirkung Mechanische Einwirkung (Stoßbeanspruchung) Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

10 Klassifizierung der Baustoffe nach DIN : (Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen Teil 1: Baustoffe; Begriffe, Anforderungen und Prüfungen) auf der Grundlage genormter Brandversuche A: nicht entzündbare Baustoffe, keine Brandlast A1: nichtbrennbar, z. B. Sand, Kies, Beton, Stahl A2: Hauptbestandteile nichtbrennbar, z. B. Gipskartonplatten mit geschlossener Oberfläche Zusätzliche geprüft wird: Rauchentwicklung Brennendes Abfallen oder Abtropfen B1: brennen nicht selbständig weiter nach Beseitigung der Wärmequelle, die sie entzündet hat, z. B. Gipskartonplatten mit gelochter Oberfläche B2: Mindestanforderung an die verwendeten Baustoffe, z. B. Holz mit t > 2 mm, PVC- oder textile Bodenbeläge, bituminöse Dachabdichtungsbahnen B3: dürfen nur geschützt oder im Verbund mit anderen Baustoffen verwendet werden, z. B. Stroh, Schaumkunststoffe, Papier Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

11 DIN Klassifizierung der Baustoffe nach DIN EN (europäisch geregelte, harmonisierte Bauprodukte) Zuordnung zu den bauaufsichtlichen Benennungen: A1 A2 s (Smoke): Rauchentwicklung s1 - gering s2 - mittel s3 - hoch B1 d (Droplets): Anforderungen an das brennende Abtropfen/Abfallen d0 kein Abtropfen d1 begrenztes Abtropfen d2 starkes Abtropfen Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

12 DIN Klassifizierung der Baustoffe nach DIN EN B2 B3 Abstufung A bis F in Bezug auf Entflammbarkeit und den Beitrag zum Brand: A kein Beitrag zum Brand B sehr begrenzter Beitrag zum Brand C begrenzter Beitrag zum Brand D hinnehmbarer Beitrag zum Brand E hinnehmbares Brandverhalten F keine Leistung festgestellt Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

13 Hessische Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen 2018 (H-VV-TB 2018) Zusammenführung der Liste der Technischen Baubestimmungen und der Bauregellisten mit Bezug auf die HBO Zuordnung der Klassen nach DIN 4102 und DIN EN zu den bauaufsichtlichen Benennungen in Anhang 4 mit Hilfe der H-VV-TB, Anhang 4 kann man die bauaufsichtlichen Mindestanforderungen an Bauteile und Baustoffe analog Anlage 1 der alten HBO in die Klassen nach DIN EN übersetzen, s. folgende Folie und vgl. Folie 6 Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

14 Anforderungen nach HBO 2018 Klassifizierung nach DIN EN 13501, beispielhaft: Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

15 Bemessung Prinzip: Die nachgewiesene Feuerwiderstandsdauer des betrachteten Bauteils muss den Anforderungen der HBO entsprechen. Die Feuerwiderstandsdauer hängt von folgenden Einflüssen ab: Brandbeanspruchung ( 1-seitig, mehrseitig) verwendeter Baustoff Bauteilabmessungen Statisches System Belastung im Brandfall ( Ausnutzungsgrad) Bauliche Durchbildung (Anschlüsse, Auflager, Fugen) Anordnung von Bekleidungen Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

16 Bemessung Umstellung der nationalen DIN-Normen auf Eurocodes in den letzten Jahren, Koexistenzperiode beendet: Wir führen die Tragsicherheitsnachweise im Kaltzustand und im Brandfall nach den Eurocodes. Für spezielle Ausbildungen (z. B. Anschlüsse, Fugen, usw.) fehlen Angaben in den Eurocodes. Hier benötigen wir zusätzlich die Restnorm DIN , vgl. H-VV-TB vom , Anlage A 1.2.3/3 DIN : ist parallel zur neuen HBO mit der Hessischen Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (H-VV-TB vom ) seit Juli 2018 bauaufsichtlich eingeführt Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

17 Die heißen Teile der Eurocodes EC1-1-2 Einwirkungen DIN EN : Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen Brandeinwirkungen auf Tragwerke EC2-1-2 Beton DIN EN : Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken EC3-1-2 Stahl DIN EN : Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten EC4-1-2 Verbundbau DIN EN : Eurocode 4: Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton EC5-1-2 Holz DIN EN : Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten EC6-1-2 Mauerwerk DIN EN : Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten EC9-1-2 Aluminium DIN EN : Eurocode 9: Bemessung und Konstruktion von Aluminiumbauten jeweils Teil 1-2: Allgemeine Regeln Tragwerksbemessung im Brandfall Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

18 Bemessung im Brandfall + Eurocode Teile 1-2 DIN : Anwendung der Brandschutzteile der Eurocodes immer in Verbindung mit den nationalen Anwendungsdokumenten! ergänzende Bemessungstabellen für Detailausbildungen, Brandschutzbekleidungen, besondere Bauarten Besonderheit: Die Tragfähigkeit der Struktur bzw. der Bauteilwiderstand verringert sich mit zunehmender Branddauer Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

19 Rechenaufwand Wirtschaftlichkeit Bemessung Drei Nachweisebenen 3 Allgemeine Rechenverfahren 2 Vereinfachte Rechenverfahren 1 Bemessungstabellen Ob und wie die verschiedenen Verfahren sinnvoll anzuwenden sind, hängt von dem verwendeten Baustoff (und der konstruktiven Ausführung) ab, da sich die wichtigsten Baustoffe (Beton, Stahl, Holz) in ihrem Brandverhalten zum Teil grundlegend unterscheiden. Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

20 Ebene 1: Bemessungstabellen auf der Grundlage genormter Brandversuche, analog DIN 4102 Isolierte Betrachtung des Einzelbauteils Beispiel: Mindestdicke h und - achsabstände a von Stahlbetonwänden (Auszug aus DIN EN ) Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

21 Ebene 1: Bemessungstabellen Tabellen sind in der Literatur für den Anwender aufbereitet in Anlehnung an DIN , hier z. B. in Merkblatt Nr. 17, Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e. V., 11/2012 Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

22 Ebene 2: Vereinfachte Rechenverfahren Ermöglicht Nachweisformat entsprechend Bemessung im Kaltzustand (mechanische Einwirkung Tragfähigkeit) Isolierte Betrachtung des Einzelbauteils Thermische Einwirkung: Nominelle Temperaturzeitkurve nach DIN EN ETK Anwendungsgebiet: Stahl- und Stahlverbundbauteile, Holzbauteile Temperaturverteilung in einem Verbundträger nach 90 Min Brandbeanspruchung nach ETK (Dr.-Ing. Anja Kiesel, TU Darmstadt) Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

23 Ebene 3: Allgemeine Rechenverfahren Simulation des realen Brandverhaltens FE-Analyse des Gesamttragwerkes Berechnung in zwei Schritten: Thermische Analyse Entwicklung der Temperaturverteilung während des Brandes Mechanische Analyse Berücksichtigung thermisch induzierter Dehnungen und Spannungen, geometrisch nichtlinearer Effekte und nichtlinearer temperaturabhängiger Werkstoffgesetze Berücksichtigung von Naturbrandmodellen möglich wirtschaftliche Bemessung aber: nur von Spezialisten durchführbar Rechenprogramme müssen validiert sein (DIN EN /NA, Validierungsbeispiele in Anhang CC) Prüfung der Nachweise durch hierfür qualifizierte Prüfingenieure Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

24 Ebene 3: Allgemeine Rechenverfahren Verwendung von Naturbrandmodellen möglich Berücksichtigung der vorhandenen Brandlast, Ventilationsbedingungen und Raumgeometrie aber: H-VV-TB Anlage A1.2.1/3 nur in Verbindung mit Brandschutzkonzept Abweichung nach 73 Abs. 1 HBO oder Erleichterung im Rahmen des 53 MBO für Sonderbauten, da bauaufsichtliche Anforderungen auf ETK basieren Prüfung durch Prüfsachverständigen für Brandschutz Die zuständige Brandschutzdienststelle ist zum abwehrenden Brandschutz zu hören. Der Auswahl der Naturbrandkurve liegen bestimmte Rand- und Nutzungsbedingungen zugrunde. Diese müssen sichergestellt sein! Sinnvolle Anwendung begrenzt auf Stahltragwerke, große Hallen, Atrien und Nachweise im Bestand Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

25 Naturbrandmodelle Vereinfachtes Naturbrandmodell (parametrische Temperaturzeitkurve) im Nationalen Anhang zu DIN EN , Anhang AA, Beispiel mittelgroßer Büroraum aus: Hosser, D.; Zehfuß, J.: Brandschutz in Europa Bemessung nach Eurocode Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

26 Möglichkeiten zur Bemessung Stahlbetonbau DIN EN DIN EN DIN EN DIN EN DIN EN Stahlbau Verbundbau Holzbau Mauerwerksbau Nachweisverfahren Bemessungstabellen x - x - x Vereinfachte Rechenverfahren Allgemeine Rechenverfahren x x x x - x x x x - - und dann? DIN ! Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

27 Mechanische Einwirkungen im Brandfall (DIN EN und DIN EN 1990) Normaltemperatur (Grundkombination): E d = G * G k + Q,1 * Q k,1 + ( 0,i * Q,i * Q k,i ) E d = 1,35 * G k + 1,5 * Q k,1 + ( 0,i * 1,5 * Q k,i ) Brandfall (Außergewöhnliche Bemessungssituation): E fi,d,t = G k + fi * Q k,1 + ( 2,i * Q k,i ) G = Q,i = 1,0 fi = 1,1 fi = 2,1 bei Wind als veränderliche Leiteinwirkung bei sonstigen veränderlichen Lasten Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

28 Mechanische Einwirkungen im Brandfall Kombinationsbeiwerte (DIN EN 1990) E fi,d,t = G k + fi * Q k,1 + ( 2,i * Q k,i ) z. B. Deckenträger innen: M fi,d,t = M Edg + 0,3 * M Ed q Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

29 Mechanische Einwirkungen im Brandfall Vereinfachung: Normaltemperatur (Grundkombination): E d = G * G k + Q,1 * Q k,1 + ( 0,i * Q,i * Q k,i ) E d = 1,35 * G k + 1,5 * Q k,1 + ( 0,i * 1,5 * Q k,i ) Brandfall: E fi,d,t = fi * E d mit Es besteht eine Abhängigkeit vom Verhältnis Nutzlasten zu Eigengewichtslasten Q k,1 /G k. Vereinfachend: Stahlbeton fi = 0,7 Stahl fi = 0,65 (0,7) *) Holz fi = 0,6 (0,7) *) *) bei Lagerräumen der Kategorie E Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

30 fi Mechanische Einwirkungen im Brandfall 0,80 0,70 0,60 0,50 fi = 0,8 fi = 0,6 0,40 0,30 fi = 0,3 0,20 0,10 0,00 Stahlbeton Stahl Holz 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Qk,1/Gk Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

31 Ausnutzungsgrad Der Ausnutzungsgrad m fi steht in direktem Zusammenhang mit fi Allgemein gilt: m fi = E d,fi / R d m fi = fi * E d / R d mit E d,fi - Bemessungswert der Einwirkung im Brandfall E d R d - Bemessungswert der Einwirkung im Kaltzustand - Bemessungswert der Tragfähigkeit im Kaltzustand Bei voller Ausnutzung im Kaltzustand gilt: und damit: m fi = fi 0,7 E d = R d Konstruktiver Brandschutz Teil 1: Grundlagen Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

32 Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Grundsätzliches Massige Querschnitte Bewehrung zur Aufnahme der Zugspannungen im Querschnitt Beton hat geringe Wärmeleitfähigkeit Temperaturverteilung nach 30 Min nach 60 Min nach 90 Min ETK 500 C 500 C 500 C Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

33 kritische Temperatur Abminderung der Festigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur 1 0,9 0,8 0,7 0,6 k c,q = f c,q / f c,k k s,q = f s,q / f y,k Beispielhaft: Normalbeton mit quarzhaltigen Zuschlägen Zugbewehrung kaltverformt k Q 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 kritische Temperatur Q cr : Die Stahltemperatur, bei der die aufnehmbare Spannung auf das Niveau der einwirkenden Spannung sinkt Q in C Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

34 Die kritische Temperatur Q cr Die Stahltemperatur, bei der die aufnehmbare Spannung auf das Niveau der einwirkenden Spannung sinkt. Herleitung: Einwirkende Spannung im Brandfall: s s,fi,d = fi * s s,ed = 0,70 * s s,ed Es wird angenommen, dass der Bewehrungsstahl im Kaltzustand, also bei Brandbeginn voll ausgenutzt war (s s,ed = f y,k / M ): s s,fi,d = 0,70 * f y,k / M Für Betonstahl gilt: M = 1,15 s s,fi,d = 0,70 * f y,k /1,15 0,60 * f y,k Aus dem Diagramm oben lässt sich ablesen, dass die Festigkeit (= aufnehmbare Spannung) bei etwa 500 C auf 60 % der Festigkeit im Kaltzustand sinkt. Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

35 Bemessungstabellen (DIN EN Abs. 5) Prinzip: Der Achsabstand a der Bewehrung wird so groß gewählt, dass die kritische Temperatur von 500 C während der geforderten Feuerwiderstandsdauer nicht überschritten wird. Zusätzlich werden Mindestabmessungen der Querschnitte angegeben. Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

36 Bemessungstabellen Definitionen: d L (Längsstab) d Bü (Bügel) Achsabstand a = C V + d Bü + d L /2 C nom C nom,i C nom C V Nennmaß Betondeckung, rechnerisch ermittelt gew. und Eintragung in Plan C nom,i für Verbundsicherung C nom = C min + DC mm für Innenbauteile C min DC Mindestbetondeckung Vorhaltemaß Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

37 Bemessungstabellen Bei Einhaltung der tabellierten Mindestwerte, gilt hinsichtlich der Tragfähigkeit: E d,fi,t / R d,fi 1,0 E d,fi,t R d,fi Bemessungswert der Schnittgrößen beim Brand Bemessungswert der Tragfähigkeit beim Brand In der Regel wird eine volle Ausnutzung der Querschnitte im Kaltzustand vorausgesetzt: E d,fi,t = 0,7 * E d = 0,7 * R d, daraus folgt Q cr = 500 C (siehe oben) Für niedrigere Lastausnutzungsgrade besteht die Möglichkeit, die abgelesenen Achsabstände zu reduzieren. Für Spannbetonbauteile gilt: Q cr = 400 C bei Spannstäben Da = + 10 mm Q cr = 350 C bei Spannlitzen Da = + 15 mm Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

38 Bemessungstabellen Der EC2-1-2 enthält in Abs. 5 Bemessungstabellen für Wände nichttragende und tragende Wände Balken mit Rechteck- und I-Querschnitt bei drei- oder vierseitiger Brandbeanspruchung Decken einachsig oder zweiachsig gespannte Platten, Durchlaufplatten, Flachdecken und Rippendecken Bemessung im Kaltzustand bzw. konstruktive Mindestanforderungen sind in vielen Fällen maßgebend Stützen mit Rechteck- oder Kreisquerschnitt bei einoder mehrseitiger Brandbeanspruchung Hier lohnt es sich, genauer hinzuschauen! in ausgesteiften Tragwerken, Betonfestigkeitsklasse C 50/60 Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

39 Wände (DIN EN , 5.4) Mindestdicke und -achsabstände für tragende Wände: Ausnutzungsgrad im Brandfall: m fi = N ed,fi / N Rd N ed,fi N Rd, Bemessungswert der Längskraft im Brandfall Bemessungswert der Tragfähigkeit im Kaltzustand Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

40 Wände (DIN EN , 5.4) Mindestdicke für nichttragende Wände: Tabellen für den Anwender aufbereitet in: Merkblatt Nr. 17, Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e. V., 11/2012 Mindestdicken für Brandwände (zusätzlich Kriterium M): 200 mm für eine unbewehrte Wand 140 mm für eine bewehrte, tragende Wand 120 mm für eine bewehrte, nichttragende Wand a 25 mm, Schlankheit 40 (Verhältnis Wandhöhe zu Wanddicke) Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

41 Wände Ergänzend hierzu in DIN4102-4: Fugenausbildung aufnehmbare Lasten allseitig beflammter Wandteile ergänzende Hinweise zu Brandwänden, z. B. Ausbildung der Anschlüsse an angrenzende Bauteile Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

42 Balken (DIN EN , 5.6) Z. B. Mindestmaße und achsabstände von statisch bestimmt gelagerten Balken: für den Anwender aufbereitet in: Merkblatt Nr. 17, Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e. V., 11/2012 Werte gültig für 3-seitige Brandbeanspruchung! Für 4-seitige Brandbeanspruchung gilt: h b min A c 2 b min 2 Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

43 Balken (DIN EN , 5.6) Darüber hinaus: Durchlaufbalken Ergänzend hierzu in DIN4102-4: Balken mit Bekleidungen aus Putz Angaben zu Ausklinkungen im Bereich von Auflagern Mindestdicken und achsabstände von Konsolen (Ausschnitt siehe unten) Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

44 Balken F -Klassen in DIN Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

45 Decken/Platten (DIN EN , 5.7) Z. B. Mindestdicken und achsabstände von Stahlbetonplatten (linienförmig gelagert): für den Anwender aufbereitet in: Merkblatt Nr. 17, Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e. V., 11/2012 Die Werte für h s gewährleisten den Raumabschluss (EI), sofern nur die Tragfähigkeit (R) verlangt wird, darf erf h 1 für den Kaltzustand eingesetzt werden. Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

46 Decken/Platten (DIN EN , 5.7) Darüber hinaus: Flachdecken Rippendecken Ergänzend hierzu in DIN , z. B.: Fugenausbildung bei Fertigteilplatten Angaben zu Stahlbetonhohlplatten weitere Angaben zu Stahl- und Spannbetonrippendecken mit und ohne Zwischenbauteile Angaben zu Ziegeldecken Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

47 Decken/Platten (DIN EN , 5.7) Beispiel: entnommen aus Hosser, D.; Zehfuß, J.: Brandschutz in Europa Bemessung nach Eurocodes REI 90? REI 60? erf h s = 80 mm erf a = 20 mm < vorh h s = 190 mm < vorh a = ,5/2 23,7 mm Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

48 Stützen (DIN EN , 5.3) Die Bemessung erfolgt mit Hilfe von Tabelle 5.2a ( Methode A, Methode B ist in Deutschland nicht zugelassen!) Voraussetzungen: Überwiegend auf Druck beanspruchte Stützen in ausgesteiften Bauwerken* ) Stützenenden rotationsbehindert gelagert Ersatzlänge der Stütze im Brandfall l 0,fi 3 m (Rechteckquerschnitt) bzw. l 0,fi 2,5 m (Kreisquerschnitt) auf der sicheren Seite liegend darf immer l 0,fi = l gesetzt werden, sonst siehe unten. Bewehrungsquerschnitt A s < 0,04 A c * ) Im Nationalen Anwendungsdokument zu EC2-1-2 entfällt jedoch die Begrenzung der Lastausmitte. Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

49 Stützen (DIN EN , 5.3) l 0,fi = 0,7 L l 0 l 0,fi = 0,5 L Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

50 Stützen (DIN EN , 5.3) für den Anwender aufbereitet in: Merkblatt Nr. 17, Fachvereinigung Deutscher Betonfertigteilbau e. V., 11/2012 Ausnutzungsgrad im Brandfall: m fi = N Ed,fi / N Rd voll ausgenutzt im Kaltzustand N Ed,fi N Rd, Bemessungswert der Längskraft im Brandfall Bemessungswert der Tragfähigkeit im Kaltzustand unter Berücksichtigung der Theorie II. O. Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

51 Stützen (DIN EN , 5.3) Alternativ darf die Feuerwiderstandsdauer berechnet werden: R = 120 * ((R fi + R a + R l + R b + R n )/120) 1,8 min Bewehrungsanordnung Querschnittsbreite Knicklänge Achsabstand der Bewehrung Ausnutzungsgrad Einflussfaktoren größerer Anwendungsbereich: l 0,fi 6 m (Rechteck) bzw. l 0,fi 5 m (Kreis); auch für nicht rotationsbehindert gelagerte Stützen auch für Stützen, bei denen die Mindestabmessungen nach Tabelle 5.2a nicht eingehalten sind Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

52 Stützen (DIN EN , 5.3) Ermittlung der Einflussfaktoren: mit m fi - Ausnutzungsgrad m fi = N Ed,fi /N Rd w - mech. Bewehrungsgrad im Kaltzustand a cc a l 0,fi = A s f yd /A c f cd - Abminderungsbeiwert Betondruckfestigkeit = 0,85 - Achsabstand der Längsbewehrung in mm; 25 mm a 80 mm - Knicklänge im Brandfall b - Ersatzbreite in mm; 200 mm b 450 mm = 2*b*h/(b+h), h 1,5*b für Rechteckstützen = b für quadratische Stützen und Rundstützen Achtung! Nicht anwendbar für Kragstützen und sehr schlanke Stützen. Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

53 Vereinfachte Verfahren nach DIN EN , 4.2 Prinzip: Verkleinerung des Betonquerschnitts (Bereiche > 500 C tragen nicht mehr mit) bereichsweise Abminderung der Materialfestigkeiten für den Restquerschnitt Bemessung analog Kaltzustand Temperaturprofile in Anhang A, ein Viertel des Querschnitts dargestellt, Maßangaben in mm Beispiel: h x b = 300 x 300 R 90 In Deutschland zulässig: Zonenmethode nach Anhang B.2 (für Stützen nur eingeschränkt!) Vereinfachtes Verfahren nach Anhang E Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

54 Nachweis von Kragstützen (schlanken Stützen) (zusätzlich vorgestellt in EC2-1-2/NA, Anhang AA) Anwendungsgrenzen: Normalbeton C20/25 bis C50/60; einlagige Bewehrung, warmgewalzt B500 Knicklänge 10 l 0 /h 50 Ausmitte e 1 /h 1,5 Querschnitt 300 h min 800 mm Bewehrungsgrad 1 % r 8 % Achsabstand 0,05 a/h 0,15 Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

55 Nachweis von Kragstützen (schlanken Stützen) (zusätzlich vorgestellt in EC2-1-2/NA, Anhang AA) 4 Diagramme für h = 300, 450, 600, 800 mm Achsabstand a/h = 0,10 Beton C30/37; Bewehrung B500, r = 2 % 4-seitige Brandbeanspruchung Abzulesen: Normalkrafttragfähigkeit nach 90 min ETK N R,fi,d,90 für den Nachweis: N E,fi,d / N R,fi,d,90 1,0 Gesamtmoment M tot,fi,d,90 am Stützenfuß für Nachweis der Einspannung in Fundament oder Unterkonstruktion Weichen Brandbedingungen, Betonfestigkeit, Achsabstand oder Bewehrungsgrad von den Vorgaben ab, kann dies über Beiwerte berücksichtigt werden. Für 1,5 e 1 /h 3,5 können N R,fi,d,90 und M tot,fi,d,90 aus den Diagrammen abgeleitet werden. Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

56 Nachweis von Kragstützen (schlanken Stützen) = e 1 /h h = 450 mm (Bild AA.2) n R,fi,d,90 = N R,fi,d,90 /(A c *f cd ) 0,49 m tot,fi,d,90 = M tot,fi,d,90 /(A c *h*f cd ) 0,17-0,16 = m tot,fi,d,90 n R,fi,d,90 = Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

57 Nachweis von Kragstützen (schlanken Stützen) Beispiel Bemessung für R90 f c,d = 0,85*30/1,5 = 17 N/mm 2 = 1,7 kn/cm 2 a = /2 = 45,5 mm a/h = 45,5/450 0,10 A s = 39,3 cm 2 r = (39,3/45 2 )*100 2 % Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

58 Nachweis von Kragstützen (schlanken Stützen) Beispiel Einwirkung: fi N E,fi,d,t = 1,0 * ,0 * 0,3 * 150 = 325 kn Ausmitte: e i = L/200 = 450/200 = 2,25 cm (Imperfektion nach EC2-1-1, 5.2) e 1 = e 0 + e i = ,25 = 22,25 cm e 1 /h = 22,25/45 = 0,49 Knicklänge: l 0,fi = 2 * 4,5 = 9,0 m (Eulerfall I) l 0,fi /h = 9,0/0,45 = 20 Aus Bild AA.2: n R,fi,d,90 = - 0,16 IN R,fi,d,90 I = 0,16 * 45 2 * 1,7 = 551 kn > 325 kn m tot,fi,d,90 = 0,17 M tot,fi,d,90 = 0,17 * 45 2 *45 * 1,7 / 100 = 263 knm (Moment im Grenzzustand der Tragfähigkeit für den Nachweis nachgeordneter Bauteile) Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

59 Mauerwerkswände nach DIN EN entnommen aus: Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel im Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e. V. Baulicher Brandschutz im Wohnungsbau Variante 1a: Brandwand REI-M Benennung nach HBO: Trennwand, Gebäudeabschlusswand Tragende Wand Treppenraumwand Tragender Pfeiler Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

60 Mauerwerkswände nach DIN EN Einfluss auf die Feuerwiderstandsdauer haben: Abmessungen der Wand Mauerwerksart (Steinsorte, Rohdichteklasse) Mörtel Lastausnutzung Brandbeanspruchung einseitig oder mehrseitig Putz Anschlüsse an angrenzende Bauteile Bemessung: auf der Grundlage von Bemessungstabellen nach DIN EN /NA, ergänzt durch DIN : Normsteine auf der Grundlage von Brandversuchen / Zulassungen: Zulassungsziegel Vereinfachte und allgemeine Rechenverfahren sind in Deutschland nicht zugelassen. Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

61 Bemessungstabellen nach DIN EN /NA z. B. Ausschnitt aus: Werte in Klammern gelten für beidseitig verputzte Wände Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

62 Bemessungstabellen nach DIN EN /NA Ausnutzungsfaktor a 6,fi : Anpassungsfaktor w für verschiedene Stein-Mörtel-Kombinationen in Tabelle NA.1, DIN EN /NA (1-2* e mk,fi /t)= a/t e mk,fi = 0 Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

63 Bemessungstabellen nach DIN EN /NA Ausnutzungsfaktor a 6,fi : N Ed,fi = fi * N Ed = 0,7 * N Ed a 6,fi = 0,7 entspricht der vollen Ausnutzung nach der alten DIN bzw. der zurückgezogenen Mauerwerksnorm DIN Ausnutzungsfaktoren a 6,fi > 0,7 sind nicht durch die Tabellen abgedeckt. In diesem Fall muss eine erneute Kaltbemessung erfolgen oder Nachweis über Zulassung! Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

64 Bemessung auf der Grundlage von Zulassungen Ausnutzungsfaktor a fi = N Ed,fi /N Rd Bemessungswert der einwirkenden Normalkraft im Brandfall N Ed,fi N Rd Bemessungswert des vertikalen Tragwiderstandes nach DIN EN /NA N Ed,fi = fi * N Ed = 0,7 * N Ed a fi = 0,7 entspricht der vollen Ausnutzung bei der Kaltbemessung nach DIN EN Beispiel aus Zulassung Nr. Z : (Thermopor-Planhochlochziegel mit integrierter Wärmedämmung) TV 8-Plan Rohdichteklasse 0,55 Wärmeleitfähigkeit l = 0,08 W/(mK) Ausführung als Brandwand nur beidseitig verputzt! Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

65 Konstruktionsgrundsätze Keine durchgehenden Löcher zur Wandoberfläche (gilt auch bei Stahlbetonwänden: Löcher von Schalungsankern sind brand- und rauchsicher zu verschließen!) Der Einfluss der thermischen Dehnung angrenzender Bauteile ist zu bedenken; evtl. sind diese entsprechend zu schützen. Fugenausbildung beachten, z. B. nichttragende, raumabschließende Wand Starrer Anschluss Beweglicher Anschluss Gleitender Anschluss mit horizontaler Halterung der Wand Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 2: Massivbau Fachplaner Brandschutz IngKH

66 Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Stahlbau leichte Bauweise, schlanke Bauteile als Folge von Optimierung der Stahltonnage hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmekapazität ungeschützte Profile werden im Brandfall schnell durchwärmt und verlieren ihre Tragfähigkeit und Steifigkeit Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer können nur durch die Wahl massigerer Profile oder Brandschutzbekleidungen erreicht werden Chance für den Stahlbau (außerhalb der Industriebaurichtlinie): Berechnungsverfahren nach EC3-1-2 Berücksichtigung von Lastausnutzung, Temperaturentwicklung, Möglichkeiten zur Lastumlagerung, Naturbrandmodelle, partielle Bekleidung der Konstruktion Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

67 Vereinfachte Berechnungsverfahren im Stahlbau 1. Nachweis auf Temperaturebene (EC3-1-2, 4.2.4) Q a,t Q a,cr Q a Stahltemperatur anwendbar nur für Qkl 1, 2 oder 3, wenn Stabilität keine Rolle spielt! 2. Nachweis auf Tragfähigkeitsebene (EC3-1-2, 4.2.3) E fi,d,t R fi,d,t analog Kaltzustand! Jeweils konstante Temperaturverteilung über den Querschnitt vorausgesetzt. Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

68 Nachweis auf Temperaturebene Bestimmung des Brandverlaufs, z. B. nach ETK: Q g = *log 10 (8*t + 1) [ C], t in min Ermittlung der Bauteiltemperatur Q a,t zum betrachteten Zeitpunkt t unter der Annahme einer konstanten Erwärmung des Querschnitts Ermittlung des Ausnutzungsgrades bei Brandbeginn m 0 = E fi,d /R fi,d,0 = fi / M0 (volle Ausnutzung, sichere Seite fi = 0,65) Berechnung der kritischen Temperatur Q a,cr Q a,t Q a,cr Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

69 Nachweis auf Tragfähigkeitsebene Bestimmung des Brandverlaufs, z. B. nach ETK: Q g = *log 10 (8*t + 1) [ C], t in min Ermittlung der Bauteiltemperatur Q a,t zum betrachteten Zeitpunkt t unter der Annahme einer konstanten Erwärmung des Querschnitts Ermittlung der Tragfähigkeit R fi,d,t unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Werkstoffeigenschaften über Reduktionsfaktoren k Q Ermittlung der Einwirkung (Schnittgröße) im Brandfall: E fi,d,t = fi * E d (s. Grundlagen) E fi,d,t R fi,d,t Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

70 Bauteiltemperatur in Abhängigkeit des Profilfaktors A m /V [m -1 ] Ungeschützte Stahlbauteile: EC3-1-2, Abschnitt : Vereinfachte Berechnung der Erwärmung innerhalb eines Zeitschrittes Dt ( 5 sec) DQ a,t = k sh *h net,d*dt*(a m /V)/(c a r a ) mit k sh Korrekturfaktor Abschattungseffekt = 0,9*(A m /V) box /(A m /V) (I-Profile) = (A m /V) box /(A m /V) (andere) h net,d Nettowärmestrom in W/m 2 h net,d c a = h net,c + h net,r (aus Konvektion und Strahlung nach EC1-1-2, 3.1) spez. Wärmekapazität in J/kgK nach EC3-1-2, in Abhängigkeit von Q a r a Dichte von Stahl (7850 kg/m 3 ) Programmierung z. B. in EXCEL oder vorhandene Auswertungen in Literatur Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

71 Profilfaktor A m /V (U/A bez. auf 1 m) Auszug aus EC3-1-2, Tabelle 4.2 Profilfaktor A m /V für ungeschützte Stahlbauteile: Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Fachplaner Brandschutz IngKH

72 Profilfaktor A m /V [m -1 ] Ausgewertet z. B. in Bauen mit Stahl: Brandschutz-Arbeitshilfe 62.1 Verhältniswert U/A, Auszug siehe rechts HEA 320 HEM 220 etwa gleiche Normalkrafttragfähigkeit bei l 0 = 4,5 m Profilfaktoren HEA 320: A m /V = 141 m -1 HEM 220: A m /V = 88 m -1 Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

73 Bauteiltemperatur geschützter Stahlbauteile aus Schaumann, P.: Nationale brandschutztechnische Bemessung Stahlbaukalender 2001 Näherung unter Vernachlässigung der Energieaufnahme der Bekleidung A p /V Profilfaktor des geschützten Stahlbauteils l p Wärmeleitfähigkeit der Brandschutzbekleidung d p Dicke der Brandschutzbekleidung Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

74 Profilfaktor A p /V [m -1 ] Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

75 Werkstoffkennwerte der Brandschutzmaterialien aus EC3-1-2-NA: Weitere Werte z. B. in Hosser, D.; Zehfuß, J.: Brandschutz in Europa Bemessung nach Eurocodes Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

76 Bemessungstabellen nach DIN Stahlträger und stützen mit Putzbekleidung Stahlträger und stützen mit einer Bekleidung aus Feuerschutzplatten Stahlstützen mit einer Bekleidung aus Beton, Mauerwerk oder Platten z. B. Stützen mit Bekleidung aus Feuerschutzplatten: Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

77 Konstruktionsregeln für Brandschutzbekleidungen aus: Hosser, D.; Zehfuß, J.: Brandschutz in Europa Bemessung nach Eurocodes Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

78 Anschlüsse Verzögerte Erwärmung im Anschlussbereich wegen Konzentration von Masse durch Schrauben, Steifen, Kopfplatten, Schweißnähte: üblicherweise gilt Q Anschluss Q Bauteil Keine weiteren Nachweise erforderlich, wenn: (d f /l f ) Anschluss (d f /l f ) Bauteil mit d f /l f Wärmedämmwiderstand der Bekleidung d f Bekleidungsdicke Wärmeleitfähigkeit l f m 0,Anschluss m 0,Bauteil mit m 0 Ausnutzungsgrad im Kaltzustand Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

79 Beispiel: Abfangträger Mehrfamilienhaus (GKl 3), Anforderung: R30 Statisches System: Querschnitt: g k = 39 kn/m p k = 11 kn/m (Nutzlast Wohnhaus) Anforderung: R30 HEB 220 h = 220 mm b = 220 mm Kaltzustand: q Ed = 1,35*39 + 1,5*11 = 69,2 kn/m M Ed = 69,2*2,9 2 /8 = 73 knm t = 16 mm s = 9,5 mm Der Querschnitt ist in die Querschnittsklasse 1 einzuordnen (vgl. EC3-1-1, 5.6); Verformungskriterien oder Einflüsse aus Stabilitätsproblemen sind nicht zu beachten. Nachweis auf Temperaturebene möglich Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

80 Beispiel 1. Ermittlung der Feuerwiderstandsdauer des ungeschützten Trägers Thermische Einwirkung im Brandfall: Normbrandkurve (ETK) Mechanische Einwirkungen im Brandfall: q fi,d = ,3*11 = 42,3 kn/m (zum Vergleich: q fi,d fi *q Ed = 0,65*69,2 = 45 kn/m ) M fi,d = 42,3*2,9 2 /8 = 44,5 knm Querschnittsklasse im Brandfall: QKl 1 (vgl. EC3-1-2, und EC3-1-1, 5.6) = 0,85* (235/f y,20 C ) = 0,85 Steg: c/t = 152/9,5 = 16 < 72*0,85 = 61,2 QKl 1 Flansch: c/t = 87,25/16 = 5,5 < 9*0,85 = 7,65 QKl 1 Tragfähigkeit im Brandfall zum Zeitpunkt t = 0 (Q = 20 C): R fi,d,0 = M Rd = f y,20 C *W pl,y = 23,5*828/100 = 195 knm Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

81 Beispiel 1. Ermittlung der Feuerwiderstandsdauer des ungeschützten Trägers Lastausnutzungsgrad: m 0 = E fi,d /R fi,d,0 = M fi,d /M Rd = 44,5/195 = 0,228 Kritische Stahltemperatur: Q a,cr = 39,19 * ln[1 + 1/(0,9674*0,228 3,833 )] = 705 C Bauteilversagen bei Q a,t = Q a,cr! Bestimmung des Profilfaktors (3-seitig beflammt): A m b + 2*h + 2*(b - s) = 0,22 + 2*0,22 + 2*(0,22 0,0095) = 1,081 m 2 /m V = 91*100/100 3 = 0,0091 m 3 /m A m /V 1,081/0,0091 = 119 1/m Abgelesene Feuerwiderstandsdauer (bei Erreichen von Q a,cr ): t 23 Minuten Anforderung R30 (tragendes Bauteil, GKl 3) wird nicht erreicht! Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

82 Beispiel Abfangträger Mehrfamilienhaus (GKl 3) 2. Wahl eines dämmschichtbildenden Anstrichs Anforderung R30 (F30-B) A m /V 119 1/m, I-Profil, 3-seitig beflammt z. B. Hensotherm 410 KS (nach ETA-11/0481): erf. Schichtdicke 0,370 mm nass 0,255 mm trocken Foto: Rudolf Hensel GmbH z. B. Sika Pyroplast ST-100 (nach Z ): erf. Schichtdicke 0,300 mm trocken Verwendung mit Grundbeschichtung und evtl. Deckschicht: Sichtprüfung in Bezug auf mechanische Beschädigungen alle 1-5 Jahre (je nach Beanspruchung), wenn zugänglich? Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

83 Beispiel Abfangträger Mehrfamilienhaus (GKl 3) 3. Wahl einer Bekleidung aus Brandschutzplatten Anforderung R30 (F30-B) I-Profil, 3-seitig beflammt, z. B. kastenförmig bekleidet A p = 2*h + b = 0,66 m 2 /m A p /V = 0,66/ 0,0091 = 72,5 1/m Promatect-H (zementgebundene Silikatplatten): erf d = 10 mm Knauf Fireboard (Gipsplatten mit Vliesarmierung): erf d = 15 mm Aus Tabellen der Hersteller auf der Grundlage allgemeiner bauaufsichtlicher Prüfzeugnisse. Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

84 Beispiel 3. Wahl einer Bekleidung aus Brandschutzplatten Zum Vergleich: Nachweis auf Temperaturebene nach EC3-1-2, Erwärmung des geschützten Trägers Promatect-H (zementgebundene Silikatplatten): Wärmeleitfähigkeit l p = 0,15 W/(mK) d p = 0,010 m A p /V =72,5 1/m (A p /V)*(l p / d p ) = 72,5*0,15/0, W/(m 3 K) Q a, C < Q a,crit = 705 C Knauf Fireboard (Gipsplatten mit Vliesarmierung): Wärmeleitfähigkeit l p = 0,20 W/(mK) d p = 0,015 m A p /V =72,5 1/m (A p /V)*(l p / d p ) = 72,5*0,20/0, W/(m 3 K) Q a, C < Q a,crit = 705 C Aus dem Diagramm Bauteiltemperatur geschützter Bauteile kann man ablesen, dass die gewählte Brandschutzbekleidung auch die Anforderung R90 erfüllen würde. Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

85 Kostenvergleich Angabe der Kosten (näherungsweise!) für beide betrachteten Varianten des passiven Brandschutzes bezogen auf die Kosten eines allgemeinen Stahlträgers, 3-seitig beflammt, in %: R30 R60 R90 Dämmschichtbildende Beschichtung 20% 40% 2) 75% 2) Brandschutzplatten 1) 20% 30% 45% 1) kastenförmig ummantelt 2) In Bezug auf R30 vervierfacht (R60) bzw. verzehnfacht (R90) sich die erforderliche Gesamttrockenschichtdicke! Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

86 Stahlverbundbau Prinzip: Sinnvolle Kombination der Werkstoffe mit dem Ergebnis einer hohen Tragfähigkeit im Kaltzustand und im Brandfall Temperaturverteilung nach 90 Minuten ETK an zwei Beispielen: kammerbetonierter Verbundträger betongefüllte Stütze mit Einstellprofil Bilder: (Dr.-Ing. Anja Kiesel, TU Darmstadt) Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

87 Stahlverbundbau Vereinfachte Rechenverfahren nach EC4-1-2, 4.3 (Nachweisebene 2) Querschnitte werden in einzelne Temperaturbereiche unterteilt Abminderung der Festigkeiten oder der rechnerischen Abmessungen für die einzelnen Bereiche Nachweis wie im Kaltzustand mit reduzierten Abmessungen und Festigkeiten: Verbundstütze Commerzbank-Hochhaus Bilder aus Hosser, D.; Zehfuss, J.: Brandschutz in Europa Bemessung nach Eurocodes Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

88 Stahlverbundbau Bemessungstabellen nach EC4-1-2, 4.2 (Nachweisebene 1) für folgende Querschnitte: Mindestquerschnittsabmessungen, erforderliche Zulagebewehrung, Mindestachsabstand der Bewehrung Mindestbetonüberdeckung von einbetonierten Stahlprofilen in Abhängigkeit von der Feuerwiderstandsklasse und dem Lastausnutzungsgrad fi,t = E fi,d,t /R d aus Hosser, D.; Zehfuss, J.: Brandschutz in Europa Bemessung nach Eurocodes Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

89 Beispiel: Deckenträger unterirdisches Parkhaus, Anforderung: R90 Statisches System: Querschnitt: L =16 m Erforderliche Zulagebewehrung im Brandfall? g k = 12,0 kn/m p k = 12,5 kn/m (Nutzlast Kategorie D) Tragfähigkeit aus Kaltbemessung: M pl,rd = 1324 knm (ohne Ansatz der Zulagebewehrung) Profil IPE 500, S355 Beton C30/35 Betonstahl S500 Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH

90 Beispiel: Deckenträger unterirdisches Parkhaus, Anforderung: R90 Einwirkung im Brandfall: q Ed,fi = 12,0 + 0,6*12,5 = 19,5 kn/m M ed,fi = 19,5*16 2 /8 = 624 knm fi,t = M ed,fi /M pl,rd = 624/1324 = 0,47 0,5 Festlegung der erforderlichen Zulagebewehrung nach DIN EN , Tab. 4.1: h/b = 500/200 = 2,5 > 2 Ablesen für R90 (Zeile 2.3) ergibt: min b = 180 mm < vorh b = 200 mm ok! min A s /A f = 0,2 A f = 20 * 1,6 = 32 cm 2 erf A s = 0,2 * A f = 0,2 * 32 = 6,4 cm 2 gewählt: Zulagebewehrung 2 20 vorh A s = 2 * 3,14 = 6,28 cm 2 6,4 cm 2 ok! Mindestachsabstände der Zulagebewehrung nach DIN EN , Tab. 4.2): u 1,min = 100 mm u 2,min = 55 mm Dr.-Ing. Ninja Wohlfeil Konstruktiver Brandschutz Teil 3: Stahl- und Verbundbau Fachplaner Brandschutz IngKH