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
Brandschutz im Stahlbau Inhalt der Präsentation Einführung Auswertungs- und Bemessungsverfahren Qualitätssicherung der Trockenschichtdicke Brandverhalten von Stahlteilen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Folgerungen 2
Einführung Einführung - Anwendung Stützen Träger Stahlstrukturen 3
Einführung - Aufbau d g = 0.05 mm d p = 0.1-3 mm d d =005mm 0.05 Einführung - Wirkungsweise Stahltemperatur [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Temperatur - Zeit Diagramm 0 10 20 30 40 50 60 Brandzeit [Min] Elio Dr. Raveglia Elio Raveglia - 13.08.2008-17.03.2009 4
Einführung - Wirkungsweise Aufgeschäumte Dicke zwischen 20-80 mm d.h. 10 bis 100 -fache der Trockenschichtdicke Elio Dr. Raveglia Elio Raveglia - 13.08.2008-17.03.2009 SZS VBSF Steeldoc - Abendveranstaltung 02/06 5
www. www.picasaweb.google.com Einführung - Brandeinwirkung 1200 Nominelle Temperaturkurven Gastem mperatur in Bauteilnähe [ C] 1000 800 600 400 200 ISO 834 Normbrandkurve Hydrocarbon-Brandkurve Externe Brandkurve 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Brandzeit [Min] Elio Dr. 1 Raveglia Elio Raveglia - 13.08.2008-17.03.2009 6
Einführung - Brandeinwirkung 1200 Nominelle Temperaturkurven Gastem mperatur in Bauteilnähe [ C] 1000 800 600 400 200 842 C 945 C ISO 834 Normbrandkurve 1100 C 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Brandzeit [Min] Elio Dr. 12Raveglia Elio Raveglia - 13.08.2008-17.03.2009 Einführung Feuerwiderstand von Stahlteilen Erwärmung von Stahlprofilen 1000 900 800 ISO 834 Normbrandkurve HEA 100 HEM 240 Temperatur [ C] 700 600 500 400 HEM 240 300 200 HEA 100 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Brandzeit [Min] Elio Dr. 13Raveglia Elio Raveglia - 13.08.2008-17.03.2009 7
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 - 13.08.2008-17.03.2009 Auswertungs- und Bemessungsverfahren 8
Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich A m /V < 300 m -1 2.800 mm < 250 m -1 2.500 mm < 200 m -1 2.350 mm < 160 m -1 1.900 mm < 100 m -1 1.350 mm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich < 300 m -1 2.800 mm HEA 140 < 250 m -1 2.500 mm < 200 m -1 2.350 mm A m /V = 252 m -1 < 160 m -1 1.900 mm HEM 160 < 100 m -1 1.350 mm A m /V = 99 m -1 9
Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich Θ cr = 500 C N d < 300 m -1 2.800 mm < 250 m -1 2.500 mm < 200 m -1 2.350 mm < 160 m -1 1.900 mm < 100 m -1 1.350 mm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Methode der Klassierung für R60 Anwendung A m /V d p Brandschutzanstrich Θ cr = 500 C N d < 300 m -1 2.800 mm < 250 m -1 2.500 mm < 200 m -1 2.350 mm < 160 m -1 1.900 mm < 100 m -1 1.350 mm Θ cr ist vom Ausnutzungsgrad μ fi,t abhängig! μ fi,t = E d,fi R d,fi, t=0 10
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 - 13.08.2008-17.03.2009 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 - 13.08.2008-17.03.2009 11
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 - 13.08.2008-17.03.2009 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 - 13.08.2008-17.03.2009 12
Auswertungs- und Bemessungsverfahren Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur 1.0 minderungsfaktor, k Θ [-] Ab 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 78 % 60 % k E,Θ = E a,θ E a,20 500 C k y,θ = f y,θ f y,20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Stahltemperatur Θ a [ C] Zum Beispiel: μ fi,t = E d,fi R d,fi, t=0 1 μ = 1.05 1.4 = 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
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
Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Stahltemperatur Θ a [ C] 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= 0.375 mm Stütze IPE 200 A p/v = 269 m 1 d p= 1.720 mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Brandzeit [Min] Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= 2.850 mm Stütze HEM 280 A p/v = 70 m 1 d p= 1.648 mm Stütze HEB 450 A p/v = 95 m 1 d p= 2.804 mm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Stahltemperatur Θ a [ C] 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= 0.375 mm Stütze IPE 200 A p/v = 269 m 1 d p= 1.720 mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Brandzeit [Min] Stütze HEA 200 A p/v = 212 m 1 d p= 2.850 mm Stütze HEM 280 A p/v = 70 m 1 d p= 1.648 mm Stütze HEB 450 A p/v = 95 m 1 d p= 2.804 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
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 = 1.720 mm Temperatur λ [W/m K] 600 20-350 C 0.013592 Stahltemperatur Θ a [ C] S 500 400 300 200 20-400 C 20-450 C 20-500 C 20-550 C 0.012512 0.011912 0.011788 0.011884 100 20-600 C 0.012168 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Zeit [Min] 20-650 C 20-700 C 0.012944 0.013782 Bezüglich der Trockenschichtdicke Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur Euronomogramm 16
Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur Euronomogramm Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur z.b. IPE 270 588 C A m /V = 226 m -1 Θ cr = 588 C d p R60: 1.8 mm Euronomogramm 17
Auswertungs- und Bemessungsverfahren Bemessung unter Berücksichtigung der kritischen Stahltemperatur www.szs.ch Euronomogramm Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen 18
Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Risse! 19
Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Temperatur [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 T13 T14 T15 T16 T17 T18 A/V=160, nackt 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Brandzeit [Min.] 20
Anwendung auf geschlossenen Stahlprofilen Temperatur [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 T31 T32 T33 T34 T35 T36 A/V=100, nackt 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Brandzeit [Min.] Qualitätssicherung der Trockenschichtdicke 21
Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Mittelwert Standardabweichung 3.415 mm 0.4561 mm Variationskoeffizient 13.36% Kleinster Wert Grösster Wert 2.245 mm 4.705 mm Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Mittelwert Standardabweichung 3.415 mm 0.4561 mm Variationskoeffizient 13.36% Kleinster Wert Grösster Wert 2.245 mm 4.705 mm 22
Qualitätssicherung Messung der Trockenschichtdicke Mittelwert 3.415 mm Anzahl Messungen Standardabweichung 0.4561 mm Variationskoeffizient 13.36% Kleinster Wert Grösster Wert 2.245 mm 4.705 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
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
Brandverhalten von Stahlteilen mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Einführung 25
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
Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandversuche an Stahlplatten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche 27
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
Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Numerische Simulation von Stahlplatten mit lokal fehlender Brandschutzfläche 1000 900 800 700 Temperatur [ C] 600 500 400 300 T1 Brandversuch 200 T1 ABAQUS Tmitt. Brandversuch 100 Tmitt. ABAQUS 0 Temperatur im Brandraum 0 10 20 30 40 50 60 70 Brandzeit [Min] Brandverhalten mit lokal fehlender Brandschutzfläche Einführung 29
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- 3000 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 80 70 erwiderstand [Min] Feue 60 50 40 30 20 HEA 200, A m /V = 211 m -1 IPE 180, A m /V = 292 m -1 HEM 160, A m /V = 99 m -1 3000 mm fehlende Brandschutzfläche 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] 30
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 70 erwiderstand [Min] Feue 60 50 40 30 20 10 1/4 h 1/2 h HEA 200 fehlende Brandschutzfläche 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 750 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
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 70 60 HEA 200 Feuerw widerstand [Min] 50 40 30 20 1 2 3 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] 1 2 3 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] 70 60 50 40 30 20 R30 R60 HEM 160 HEA 200 IPE 180 3000 mm fehlende Brandschutzfläche 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 fehlende Brandschutzfläche [mm 2 ] 32
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
Raveglia E.: Grundlagen der Bemessung von intumeszierenden Brandschutzsystemen im Stahlbau. Vdf Hochschulverlag, ISBN Nr : 978-3-7281-3240-6, 1. Auflage. Zürich. 2008. elio@alumni.ethz.ch Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 34