Hoch hinaus - Mehrgeschossiger Holzbau

Transkript

1 1 Hoch hinaus - Mehrgeschossiger Holzbau Brandschutztechnische Aspekte und Konzepte für mehrgeschossige Holzhäuser Dr.-Ing. Mandy Peter Institut des Zimmerer- und Holzbaugewerbes e.v., Berlin Einführung Der Holzbau gewinnt in Zeiten der Besinnung auf ressourcensparendes, umweltgerechtes und nachhaltiges Bauen sowohl im mehrgeschossigen und verdichteten Wohnungsbau als auch im Büro- und Funktionalbau wieder zunehmend an Bedeutung. Bislang war der Holzbau jedoch überwiegend auf den Bereich der Ein- und Zweifamilienhäuser, das heißt auf Gebäude geringer Höhe, mit einem Neubauanteil von ca. 15% beschränkt. Ursächlich hierfür waren bauordnungsrechtliche Einschränkungen, die zum Teil auf schlechten Erfahrungen mit Brandschäden an häufig behelfsmäßig errichteten Holzgebäuden der Nachkriegszeit aber auch auf konservative Risikobetrachtungen an Bauteilen und daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen auf die Gesamttragkonstruktion beruhten. Naturbrände haben in der Vergangenheit stets erneut unter Beweis gestellt, dass Holztragkonstruktionen ein positives Verhalten bei Brandbeanspruchungen aufweisen. Bei einem Realbrand sinkt die Brandraumtemperatur in der Regel nach 30 Minuten deutlich ab. Aufgrund der sich bildenden schützenden Holzkohleschicht sowie der geringen Wärmeleitfähigkeit des Holzes bleiben der Abbrand und die Temperatur des Restquerschnitts gering und die Holzkonstruktion tragfähig. Dieses Verhalten, untermauert durch neueste Erkenntnisse aus der Forschung, hat u.a. zur positiven Entwicklung des Holzbaus in jüngster Zeit beigetragen. Alle Bauwerke müssen in Deutschland und den europäischen Ländern entsprechend ihrer Bauweise und der vorgesehenen Nutzung Mindestanforderungen an den Brandschutz erfüllen. Die Ziele dieser Anforderungen sind die Verhinderung der Entstehung und Ausbreitung von Feuer und Rauch sowie die Ermöglichung der Rettung von Mensch und Tier und der Durchführung wirksamer Löscharbeiten. Die damit verbundenen Schutzziele sind in den Bauordnungen geregelt. Um insbesondere die Möglichkeiten des Holzbaus in den Bereichen des Wohn- und Funktionalbaus bei gleichzeitiger Wahrung des hohen nationalen Sicherheitsanspruchs weiter auszubauen, ist mit der derzeitigen Musterbauordnung seit 2002 der Einsatz der bisher auf drei Vollgeschosse begrenzten Holzbauweise auf bis zu fünf Geschosse erweitert worden. Die Umsetzung der Anforderungen an diese Gebäude ist in einer Muster-Holzbaurichtlinie geregelt. Möglichkeiten für den Holzbau Die Bauaufsicht hat sich mit der Novellierung der Musterbauordnung (MBO) das Ziel gesetzt, den Einsatzbereich der bisher auf drei Vollgeschosse beschränkten Holzbauweise unter Wahrung des hohen nationalen Sicherheitsniveaus auf bis zu fünf Vollgeschosse zu erweitern. Ermöglicht wird dies durch die Einführung einer neuen Gebäudeklasse 4 für Gebäude mittlerer Höhe. Sie regelt Gebäude bis zu einer Fußbodenhöhe des obersten Geschosses mit Aufenthaltsräumen von 13 m über Geländeoberkante. Die Nutzungseinheiten je Geschoss dürfen eine Brutto-Grundfläche von 400 m2 nicht überschreiten (Bild 1).

2 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 2 GK Gesamtfläche: 400 m² 400 m² - Fläche einer Nutzungseinheit: 22m Anzahl der Nutzungseinheiten: m² 13m 7m 0m Brandschutzanforderungen: Keine FH FH HFH FB Bild 1: Gebäudeklassen nach der Musterbauordnung (MBO) 2002 Die Verwendung von Holztragkonstruktionen ist in dieser Gebäudeklasse dann zulässig, wenn eine brandschutztechnisch wirksame Bekleidung und ausschließlich nichtbrennbare Dämmstoffe mit einem Schmelzpunkt 1000 C gemäß DIN verwendet werden. Eine brandschutztechnisch wirksame Bekleidung ist gegeben, wenn die Holzkonstruktion während der relevanten Branddauer von 60 Minuten die Entzündungstemperatur von 300 C nicht erreicht ( Kapselkriterium ). Diese Anforderung erfordert eine Anordnung von Gipsbauplatten in einem solchen Umfang, dass die Bauteile selbst eine Feuerwiderstandsdauer von 90 Minuten erreichen. Die Fugen sind mit Stufenfalz, Fugenversatz oder Nut- und Federverbindung auszuführen. Als Dämmstoffe müssen bislang ausschließlich nichtbrennbare mineralische Faserdämmstoffe nach DIN V verwendet werden. Die Musterbauordnung 2002 führt damit erstmals eine Zwischenstufe zwischen feuerhemmenden F 30- und feuerbeständigen F 90-Konstruktionen ein. Die als hochfeuerhemmend bezeichneten Bauteile mit einer Feuerwiderstandsdauer von 60 Minuten sollen die Lücke zwischen 30 und 90 Minuten schließen, die aus Sicht einer gestuften Risikobetrachtung unverhältnismäßig groß erscheint. Damit folgen die deutschen Regelungen erstmals internationalem Standard, der in vielen Ländern eine differenzierte Einteilung des Feuerwiderstands der Bauteile bis hin zu Schritten von nur 15 Minuten vorsieht. Die Muster-Holzbaurichtlinie Voraussetzung für die Zulassung der Holzbauweise in der Gebäudeklasse 4 war der Nachweis, dass bei diesen mehrgeschossigen Holztragkonstruktionen eine Gefährdung von Personen durch Ausbreitung von Rauch und Brandgasen sowie durch verdeckten Weiterbrand innerhalb der Konstruktion ausgeschlossen werden kann. Die Umsetzung entsprechender Anforderungen an Holztragkonstruktionen in der Gebäudeklasse 4 zur Wahrung dieser Ziele regelt künftig eine Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an hochfeuerhemmende Bauteile in Holzbauweise (M-HFHHolzR) [4]. Sie ist das Ergebnis eines überwiegend vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) über die Deutsche Gesellschaft für Holzforschung (DGfH) geförderten Forschungsprojekts [5], in dem der Nachweis erbracht wurde, dass das in Deutschland über Jahrzehnte vorhandene hohe brandschutztechnische Sicherheitsniveau auch im Holzbau der künftigen Gebäudeklasse 4 durch entsprechende konstruktive Maßnahmen aufrecht erhalten werden kann.

3 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 3 Dieses Vorhaben wurde von verschiedenen Verbänden und Interessensgemeinschaften, zu denen unter anderen der Bund Deutscher Zimmermeister (BDZ) zählt, mitgefördert und fachlich betreut. Der Anwendungsbereich der Richtlinie umfasst Holz-Systembauweisen, die einen gewissen Grad der Vorfertigung aufweisen, wie die Holzständer-, Fachwerk- oder Holztafelbauweise. Sie gilt nicht für Holz-Massivbauweisen wie die Brettstapel- und Blockbauweise, mit Ausnahme von Brettstapeldecken. Massive Holzbauteile wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens nicht untersucht, so dass für solche Bauteile auch keine konstruktiven Mindestanforderungen abgeleitet werden konnten. Um sowohl die Vielfalt der möglichen Konstruktionen der Holzbauweise zu erhalten als auch ein Maximum an Sicherheit gegenüber der Ausbreitung von Feuer und Rauch zu gewährleisten, wurden ausschließlich in Textform jene konstruktiven Details vorgeschrieben, die für das jeweilige Schutzziel entscheidend sind. Zeichnungen dienen dabei nur zur Erläuterung der konstruktiven Anforderungen und sind lediglich als Beispiel zu verstehen (Bild 2 und Bild 3). Die Beschränkung der Vorschriften auf die für den Brandschutz wichtigen Details bietet den Vorteil neuartige Konstruktionen im Holzbau der Gebäudeklasse 4 zu verwenden. Es sind lediglich die geforderten konstruktiven Randbedingungen zu beachten. Nachfolgend werden die wesentlichen brandschutztechnischen Anforderungen an Bauteile und Konstruktionen vorgestellt. tragende und raumabschließende Wandbauteile Es ist grundsätzlich eine formschlüssig verlegte Volldämmung mit Faserdämmstoffen aus nichtbrennbaren Baustoffen auszuführen. Sie ermöglicht es, einzelne brennbare elektrische Leitungen oder einzelne Hüllrohre aus nichtbrennbaren Baustoffen mit bis zu drei Kabeln innerhalb der Bauteile zu führen und Hohlwanddosen, auch für Schalter und Steckdosen, einzusetzen. Verbindungsmittel nach Abschnitt 3.4.1, Abstand 500 mm Verblockung bzw. Füllholz Spannrichtung Deckenbalken Verspachtelung Fugenversatz Brandschutzbekleidung nach Abschnitt 3.2 Brandschutzbekleidung nach Abschnitt 3.2 Wand nach Abschnitt Bild 2: Anschluss tragende und raumabschließende Wand an Decke (Spannrichtung der Deckenbalken senkrecht zur Wand)

4 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 4 Geschossdecken Es sind ebenfalls ausschließlich Faserdämmstoffe aus nichtbrennbaren Baustoffen zu verwenden. Beim Anschluss von Decken an vertikal durchlaufende raumabschließende Wände (Spannrichtung der Deckenbalken parallel zur Wand) muss in der Wandkonstruktion zwischen den Holzständern in der Anschlussebene eine Verblockung eingesetzt werden. Die kraftschlüssige Verbindung der parallel zur Wand verlaufenden Deckenbalken mit den Wandstielen oder mit der Verblockung muss in Abständen û 500 mm erfolgen. Beim Anschluss einer Decke an ein nichttragendes Außenwandbauteil, das nicht hochfeuerhemmend ausgeführt werden muss, ist für das hochfeuerhemmende Deckenbauteil eine allseitige Brandschutzbekleidung anzuordnen. Für diesen Fall ist die Brandschutzbekleidung auf dem Deckenbauteil auch stirnseitig auszuführen. durchlaufende Wand komprimierter Dämmstreifen Verblockung Fußbodenaufbau nach Abschnitt Verbindungsmittel nach Abschnitt (von innen oder von au ßen) von Deckenbalken mit Holzständer bzw. Verblockung, Abstand 500 mm Brandschutzbekleidung nach Abschnitt 3.2 Bild 3: Anschluss Decke an durchlaufende raumabschließende Wand (Treppenraumwand, Außenwand, auch nichttragend Spannrichtung der Deckenbalken parallel zur Wand) Öffnungen für Einbauten Um eine Einleitung von Feuer in Wand- und Deckenbauteile zu verhindern, ist die Brandschutzbekleidung grundsätzlich auch in den Öffnungslaibungen vorzusehen. Installationen Installationen innerhalb hochfeuerhemmender Bauteile sind grundsätzlich verboten, da sie im Forschungsvorhaben als potentieller Schwachpunkt in Holzbauteilen ausgewiesen wurden. Praktisch bedeutet dieses Verbot, das Installationen entweder in Schächten und Kanälen oder vor Wänden und unterhalb der Decken zu führen sind.

5 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 5 Praktische Umsetzung von Holzbauten der Gebäudeklasse 4 Die Muster-Holzbaurichtlinie regelt allgemein bauliche Anforderungen und konstruktive Details für hochfeuerhemmende Bauteile zum Einsatz im mehrgeschossigen Holzbau der Gebäudeklasse 4. Zur praktischen Umsetzung dieser Konstruktionen ist es erforderlich, für einzelne Aufbauten einen Nachweis zu erbringen, dass die Anforderungen der Musterbauordnung an den Brandschutz in Verbindung mit der Musterholzbaurichtlinie erfüllt werden. Für die Einhaltung der Brandschutzanforderungen an gekapselte Bauteile sind neben der Ausführung der tragenden Konstruktion, insbesondere der Art und Dicke der Bekleidung, häufig Einbauten, Installationen und Durchdringungen für Leitungsführungen von maßgebender Bedeutung. Um dem Holzbau entsprechende Konstruktionen zur Verfügung zu stellen, wurde am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der Technischen Universität Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Versuchsanstalt für Holz- und Trockenbau in Darmstadt sowie dem Lehrstuhl für Holzbau und Baukonstruktionen der Technischen Universität München ein Projekt durchgeführt, bei dem in mehreren Brandprüfungen die Eignung von K60-Bekleidungen nachgewiesen wurde. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Erprobung wirtschaftlicher Varianten von Bekleidungen unter besonderer Berücksichtigung von Durchdringungen für Leitungsführungen. Im Ergebnis wurden 2 Lagen Gipskartonfeuerschutzplatten (GKF) mit einer Dicke von je 18 mm als wirtschaftlichste Variante für eine Kapselung der tragenden Konstruktionen ermittelt. In mehreren Brandprüfungen an Wänden und Decken einschließlich Durchdringungen wurde die Eignung dieser brandschutztechnisch wirksamen Bekleidung für ein abp nachgewiesen. Die Befestigung der Bekleidung auf der Tragkonstruktion kann sowohl mittels Klammern als auch Verschraubung ausgeführt werden. Tabelle 1: Konstruktiven Anforderungen an eine Holzbalkendecke REI 60 mit einer unterseitigen K 2 60-Bekleidung nach DIN EN

6 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 6 Tabelle 2: Befestigungsmöglichkeiten der brandschutztechnisch wirksamen Bekleidung Abstand a 80 mm 55 Die Anforderung K60 bedeutet, dass sich die tragenden Holzbauteile innerhalb von 60 Minuten nicht entzünden und sich die Konstruktionen somit über diese Zeit nicht am Brand beteiligen. Aufgrund dieser Forderung erreichen diese Bauteile in der Regel einen Feuerwiderstand von mehr als 90 Minuten. Um weitere wirtschaftliche Alternativen für die Ausführung mehrgeschossiger Holzbauten anbieten zu können, wurden im Rahmen des Projekts begleitende Untersuchungen zum Nachweis von K30-Bekleidungen durchgeführt. Für diese Anforderung konnten 2 Lagen Gipskartonfeuerschutzplatten (GKF) mit einer Dicke von je 12,5 mm positiv geprüft werden. Diese können alternativ zu den K60-Konstruktionen unter Verwendung weiterer Kompensationsmaßnahmen eingesetzt werden. Die Einhaltung des geforderten Sicherheitsniveaus ist in diesen Fällen über individuelle Brandschutzkonzepte zu erbringen. Derartige Konstruktionen wurden in jüngster Vergangenheit bereits erfolgreich umgesetzt [4]. Bislang ist es jedoch nur möglich, Holzbauteile mit einer entsprechenden brandschutztechnisch wirksamen Bekleidungen für den mehrgeschossigen Holzbau einzusetzen. Um zukünftig Holzelemente sichtbar ausführen zu können, wird am Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der Technischen Universität Braunschweig ein Projekt zur brandschutztechnischen Untersuchung flächiger massiver Holzelemente durchgeführt. Anhand der Ergebnisse dieser Untersuchungen soll ein Vorschlag zur Erweiterung der Muster-Holzbaurichtlinie erarbeitet werden. Derzeit kann der Einsatz flächiger massiver Holzbauelemente unter Verwendung weiterer Kompensationsmaßnahmen wie beispielsweise automatische Löschanlagen erfolgen [7]. Umsetzung der Musterbauordnung in die Landesbauordnungen Wesentliches Kriterium für die Anwendbarkeit der Holzbauweise bei der Errichtung von Gebäuden mit bis zu fünf Geschossen ist die weitestgehend konforme Umsetzung der Musterbauordnung in die Bauordnungen der Länder. In diesem Punkt ist die Vorgehensweise der einzelnen Bundesländer jedoch teilweise sehr unterschiedlich. Während viele den neuen Vorlagen zur Deregulierung sehr offen gegenüberstehen und die Regelungen der Musterbauordnung im Hinblick auf die Brandschutzanforderungen weitestgehend ü- bernehmen, gibt es auch Beispiele, wie die Neufassung der Brandenburgischen Bauordnung vom Juni 2003, in denen der Einsatz hochfeuerhemmender Bauteile nicht geregelt

7 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 7 ist und somit eine Errichtung von bis zu fünfgeschossigen Gebäuden in Holzbauweise ausgeschlossen wird. Als erstes Bundesland hat Hessen in seiner Landesbauordnung in der Fassung vom Juni 2002 die Gebäudeklasse 4 entsprechend der Musterbauordnung übernommen. Eine Einführung der Feuerwiderstandsdauer hochfeuerhemmend (F 60) erfolgte jedoch nicht. Für Holztragkonstruktionen wird hier eine Feuerwiderstandsdauer von 90 Minuten gefordert. Da jedoch, wie eingangs beschrieben, bei Anwendung gekapselter Konstruktionen nach der Muster-Holzbaurichtlinie eine Entzündung des Holzes über 60 Minuten verhindert wird, erreichen die Konstruktionen de facto einen Feuerwiderstand von 90 Minuten und sind somit einsetzbar. In den Neufassungen der Bauordnungen der Bundesländer Hamburg, Berlin, Saarland, Sachsen und Thüringen wurden alle Anforderungen der Musterbauordnung hinsichtlich der neuen Gebäudeklasse 4 umgesetzt. Weitere Landesbauordnungen befinden sich derzeit in der Novellierung. Positiv ist hier zu beobachten, dass in den meisten Entwürfen, wie beispielsweise der des Bundeslandes Bayern ebenfalls die Vorschriften bezüglich der Brandschutzanforderungen der Gebäudeklasse 4 identisch übernommen werden sollen und somit eine Errichtung von Gebäuden mit bis zu fünf Geschossen in Holzbauweise ermöglicht wird. Diese Regelungen bieten dem Holzbau neue Chancen, insbesondere im Bereich des Wohn- und Bürobaus. Zusammenfassung und Ausblick Mit der neuen Musterbauordnung sowie der, auf der Grundlage eines Forschungsvorhabens erarbeiteten Muster-Holzbaurichtlinie werden für den mehrgeschossigen Holzbau weitere Möglichkeiten eröffnet, auch wenn zunächst die tragenden Holzkonstruktionen durch brandschutztechnisch wirksame Bekleidungen eingekapselt werden müssen. Zur Untersuchung des Tragverhaltens sichtbarer Holzbauteile und Verbindungen wurden an der Technischen Universität Berlin in den vergangenen Jahren umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt [8] und [9]. Aufgrund der Ergebnisse aus diesen Untersuchungen sollte es in der Zukunft möglich sein, ungeschützte Holzkonstruktionen bis zu einer Feuerwiderstandsdauer von 60 Minuten einsetzen zu können. Solche Regelungen würden zu wirtschaftlicheren Lösungen gegenüber geschützten Holzkonstruktionen führen und somit dem Holzbau auch insbesondere im Hinblick auf gestalterische Aspekte weitere Chancen und Märkte öffnen.

8 Hoch hinaus Mehrgeschossiger Holzbau 8 Literatur [1] DIN : Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Zusammenstellung und Anwendung klassifizierter Baustoffe, Bauteile und Sonderbauteile [2] DIN EN : Faserdämmstoffe für das Bauwesen - Teil 1: Dämmstoffe für die Wärmedämmung [3] Entwurf Musterbauordnung MBO, [4] Muster-Richtlinie über brandschutztechnische Anforderungen an hochfeuerhemmende Bauteile in Holzbauweise (M-HFHHolzR). Entwurf, [5] Hosser, D.; Dehne, M.; Zehfuß, J.: Theoretische und experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum Brandschutz bei mehrgeschossigen Gebäuden in Holzbauweise; Stufe 2: Experimentelle Grundlagenuntersuchungen, ibmb/mpa der TU Braunschweig und VHT Heusenstamm Abschlussbericht IV /98, DIBt und Holzwirtschaft über die DGfH. [6] Informationsdienst Holz spezial: Brandschutzkonzepte für mehrgeschossige Gebäude und Aufstockungen in Holzbauweise. Dezember [7] Kerbl, R.; Peter, M.: Sechs mit Holz Neubau eines sechsgeschossigen Pflegeheims in Holzbauweise, Beitrag zum Deutschen Brandschutzpreis [8] Peter, M.: Numerische Tragfähigkeitsermittlung von Holzbauteilen im Brandfall unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens, Dissertation, Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin, [9] Povel, D.: Tragfähigkeit von Holzverbindungen mit stabförmigen Verbindungsmitteln im Brandfall. Dissertation, Institut für Bauingenieurwesen der Technische Universität Berlin, [10] Rohling, A.; Nause, P.; Tichelmann, K.; Winter, S.: Erarbeitung von Konstruktionsdetails zur Kapselung tragender Bauteile für die neue Gebäudeklasse 4 der MBO. Forschungsbericht, bisher unveröffentlicht.