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Entwurf und Berechnung von Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen unter besonderer Berücksichtigung des baulichen Brandschutzes

Diplomarbeit 2007 585 Seiten

BWL - Beschaffung, Produktion, Logistik

Leseprobe

1. EINLEITUNG

Für den Stahlbau bringen Anforderungen hinsichtlich der Feuerwiderstands-fähigkeit zwei entscheidende Wettbewerbsnachteile. Zum einen kann dem Wunsch vieler Architekten nach sichtbaren, ästhetisch ansprechenden stählernen Tragkonstruktionen wegen nachträglich anzuordnenden Brandschutzbekleidungen nicht gefolgt werden. Zum zweiten führen Brandschutzbekleidungen – gleich welcher Feuerwiderstandsklasse – zu erheblichen Mehrkosten, die in der Größenordnung der Materialkosten für den Baustahl selbst liegen.

Verschiedene Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des baulichen Brandschutzes auf nationaler und internationaler Ebene tragen in letzter Zeit Früchte in Normen und Vorschriften für die brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen. Dazu zählen vor allem die Brandschutzteile der Eurocodes, die auch für den Stahl- und Stahlverbundbau eine brandschutztechnische Bemessung auf Basis rechnerischer Nachweisverfahren ermöglichen.

Diese Entwicklung gibt den Stahlbauunternehmen Hoffnung zukünftig in verschiedenen Marktsegmenten wieder zu einer besseren Wettbewerbs-situation gegenüber dem Massivbau zu gelangen.

Nachfolgend werden im Anschluss an die Stellung des Brandschutzes im Bau-ordnungsrecht mögliche brandschutztechnische Bemessungsverfahren im Stahlbau und im Stahlverbundbau vorgestellt.

Die Grundlagenermittlung wird mit der Bearbeitung verschiedener Brandsimulationsmodelle und Brandszenarien in Abhängigkeit von der Gebäudenutzung abgerundet.

Das Optimierungspotential, das durch eine Heißbemessung erzielt werden kann, und dessen objektive Bewertung, wird an typischen Fallbeispielen und an einem konkreten Beispiel eines Parkhauses detailliert herausgearbeitet.

Da diese Arbeit auch als kleiner Leitfaden für den Alltag im Ingenieurbüro dienen soll, wird der Beschreibung der brandschutztechnischen Nachweisverfahren und der Ermittlung der temperaturbedingten Einwirkungen besondere Aufmerksamkeit geschenkt.

2.BRANDSCHUTZ IM BAUORDSNUNGSRECHT

2.1 Entwicklung der Musterbauordnung

Der Brandschutz spielt im Bauordnungsrecht eine wesentliche Rolle. Das Schutzziel ist die öffentliche Sicherheit und Ordnung, insbesondere der Schutz von Leben und Gesundheit. Der reine Sachschutz ist nicht
unbedingt Gegenstand der öffentlich- rechtlichen Regelungen.

Noch heute erkennt man am Erscheinungsbild einiger typischer alter Stadtbilder die Handschrift örtlicher Bauvorschriften. Grabendächer und hohe Vorschussmauern ohne Dachüberstand sind Zeitzeugen von historischen Bauordnungen, die häufig als Folge katastrophaler Stadtbrände erlassen wurden.

So ist auch derzeit das Brandschutzkonzept für ein Bauvorhaben bestimmt durch die öffentlich- rechtlichen Ziele des Personenschutzes und des Schutzes vor einer unkontrollierbaren Brandausbreitung.

Dem Gebäudebrandschutz wird im Vergleich mit anderen gesellschaftlichen Schutzmaßnahmen ein hoher Stellenwert beigemessen. Dies spiegelt sich im Bauordnungsrecht wieder, das sich nicht damit begnügt die allgemeinen Schutzziele zu formulieren, sondern auch konkrete Anforderungen an den Brandschutz stellt.

In Deutschland ist das Bauordnungsrecht Sache der einzelnen Bundesländer. Um einer zu unterschiedlichen Ausformung des Bauordnungsrechtes entgegenzuwirken wurde 1959 eine sogenannte Musterbauordnung erstmalig erstellt. Seit 2002 liegt eine novellierte Fassung der Musterbauordnung [1] vor ( MBO 2002), die von der Fachkommission Bauaufsicht der Bauministerkonferenz ( Arbeitsgemein-schaft der für Städtebau, Bau- und Wohnungswesen zuständigen Minister und Senatoren der 16 Länder der Bundesrepublik Deutschland – ARGEBAU) erstellt wurde. Nachfolgende Ausführungen basieren auf dieser Musterbauordnung und der zugehörigen Muster- Vorschriften.

Bei den Erläuterungen wurde auf die Zusammenstellungen in [19] bis [22] zurückgegriffen.

2.2 Struktur der bauordnungsrechtlichen Brandschutzvor-schriften

2.2.1 Gesetz

Die in § 14 MBO [1] beschriebenen Anforderungen an den Brandschutz können als Generalklausel des Brandschutzes betrachtet werden: “Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zu ändern und instand zu halten, dass der Entstehung eines Brandes und der Ausbreitung von Feuer und Rauch ( Brandausbreitung) vorgebeugt wird und bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren sowie wirksame Löschmaßnahmen möglich sind.“

Detaillierte Anforderungen zur Erfüllung der Generalklausel findet man

- im vierten Abschnitt ( §§ 26-32): allgemeine und konkrete Anforderungen an das Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen,
- im fünften Abschnitt ( §§ 33-37): Anforderung an die Führung von Rettungswegen und ihre Beschaffenheit,
- im sechsten Abschnitt ( §§ 39-46): Anforderungen an die technische Gebäudeausrüstung ( wie Aufzüge, Leitungsanlagen, Feuerungsanlagen) und
- im siebten Abschnitt ( §§ 47-51): Nutzungsbedingte Anforderungen an Aufenthaltsräume, Wohnungen, Sonderbauten, etc.

2.2.2 Verordnungen und Richtlinien

Zu den bauordnungsrechtlichen Vorschriften zählen die auf Basis des § 85 MBO [1] erlassenen Verordnungen ( Muster- Verkaufsstättenverordnung, Muster- Versammlungsstättenverordnung, usw.) und Richtlinien ( Muster- Industriebaurichtlinie, Muster- Schulbaurichtlinie, usw.).

Verordnungen gelten als Rechtsnorm. Richtlinien sind Verwaltungsvor-schriften, die von der Bauaufsichtsbehörde im bauaufsichtlichen Verfahren zur Beurteilung herangezogen werden und natürlich auch die Grundlage eines Brandschutzkonzeptes bilden sollten.

2.2.3 Eingeführte Technische Baubestimmungen und Bauregellisten

Mit § 3 Abs. 3 Satz 1 MBO [1] „Die von der obersten Bauaufsichtsbehörde durch öffentliche Bekanntmachung als Technische Baubestimmungen eingeführten technischen Regeln sind zu beachten.“ werden die eingeführten technischen Regeln rechtsverbindlich. Ihre Bekanntmachung erfolgt in der „Liste der als Technische Baubestimmungen eingeführten technischen Regeln“.

Diese Muster- TB- Liste wird von der Fachkommission Bautechnik der ARGEBAU erarbeitet und muss, um rechtswirksam zu werden, in Landesrecht umgesetzt werden. Hierbei kann es zu länderspezifischen Änderungen kommen.

In der Muster- TB- Liste sind neben Planungs-, Bemessungs- und Konstruktionsregeln auch Anwendungsregeln für bestimmte europäisch geregelte Bauprodukte und Bausätze in Teil II und III enthalten.

Für Bauprodukte und Bauarten ist die Bauregelliste, welche nach § 17 Abs. 2 MBO [1] vom Deutschen Institut für Bautechnik im Einvernehmen mit den obersten Baubehörden der Länder bekannt gemacht wird, relevant.

Die in der Bauregelliste A [9] enthaltenen technischen Regeln gelten als Technische Baubestimmungen im Sinne des § 3 Abs. 3 Satz 1 MBO [1].

Für die Erfüllung der bauaufsichtlichen Brandschutzanforderungen ist die in der Bauregelliste A Teil 1, Anlagen 0.1 und 0.2 [9] vorgenommene Zuordnung der bauaufsichtlichen Benennungen zu den Klassen für Bauteile und Baustoffe, die sich aus den Prüfungen nach deutschen und europäisch harmonisierten Prüfnormen ergeben, äußerst wichtig.

Des weiteren sind neben den bereits erwähnten Richtlinien auch Bemessungsnormen für den Standsicherheitsnachweis im Brandfall in Teil I, Abschnitt 3 enthalten.

2.2.4 Allgemein anerkannte Regeln der Technik

Gibt es für eine allgemein formulierte Brandschutzanforderung keine bauordnungsrechtliche Regel oder eingeführte Baubestimmung, so sind die „ allgemein anerkannten Regeln der Technik und Baukunst“ zu beachten.

Dies fordert z. B. die Bayerische Bauordnung in Art. 3 Abs. 2 Satz 4 [2] zur Erfüllung der bauaufsichtlichen Anforderungen.

2.2.5 Brandschutzregeln außerhalb des Bauordnungsrechtes

Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass es neben den bauordnungsrechtlichen Vorschriften auch häufig noch zusätzliche Anforderungen an Rettungswege aus arbeits- und produktionsprozessbezogenen Brandschutzregeln aus dem Betriebssicherheitsrecht heraus gibt.

2.3 Brandschutzkonzept der MBO und bauaufsichtliche Verfahren

Für Standardbauaufgaben ( z.B. Wohnungs- und Bürogebäude) sind die in der MBO 2002 enthaltenen quantifizierbaren Brandschutzanforderungen wie Abstandsflächen, Rettungswegführung, Bauteilanforderungen, usw. ausreichend beschrieben. Die Brandschutzvorschriften sind daher vollständig und abschließend, sodass eine Mitwirkung der Bauaufsichtsbehörde bei Standardbauten nicht zwingend erforderlich ist.

Das Standard- Brandschutzkonzept unterstützt den in allen Ländern üblichen Abbau der bauaufsichtlichen Genehmigungsverfahren.

Nach § 67 MBO [1] besteht jedoch die Möglichkeit vom Standard- Brand-schutzkonzept abzuweichen. Hierzu ist jedoch die Einbeziehung der Bauaufsichtsbehörde erforderlich. Die Abweichungen müssen mit den öffentlichen Belangen, insbesondere den Anforderungen des § 3 Abs. 1 MBO [1], vereinbar sein. Insgesamt muss bei einem alternativen Brandschutz-konzept das Schutzniveau des Standard- Brandschutzkonzeptes erreicht werden.

Für bauliche Anlagen und Räume besonderer Art oder Nutzung ( Sonder-bauten nach § 2 Abs. 4 MBO [1]) ist immer eine bauaufsichtliche Prüfung des Brandschutzes vorgesehen. Die Prüfung muss allerdings nicht zwangsläufig von der Bauaufsichtsbehörde durchgeführt werden, sondern kann auch an einen bauaufsichtlich anerkannten Prüfingenieur/ Prüfsachverständigen weitergegeben werden. Eine Erleichterung bieten hierbei die o. g. Sonderbauverordnungen oder Richtlinien für typisierbare Sonderbauten. Für sie entsteht das typisierte Brandschutzkonzept aus den Anforderungen der MBO mit den jeweiligen Sonderbauvorschriften.

2.4 Elemente des Brandschutzkonzeptes der MBO 2002

2.4.1 Gebäudeklassen

Die Brandschutzanforderungen sind in Abhängigkeit von Gebäudeklassen gestaffelt . Die Gebäudeklassen sind in § 2 Abs. 3 MBO [1] definiert. Neben der Gebäudehöhe geht auch die Zahl der Nutzungseinheiten ( Praxis, Wohnung, usw.) sowie deren Größe in die Klassifizierung ein.

Jede Nutzungseinheit hat ein eigenes Rettungssystem und ist gegen andere Nutzungseinheiten oder fremde Räume mit brandschutztechnisch qualifizierten Trennwänden abgetrennt. Man spricht hier von der sog. Zellen- oder Kompartment- Bauweise.

Eine Übersicht über die Unterschiede zwischen den Gebäudeklassen gibt Tabelle 1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 : Unterschiede der Gebäudeklassen

1Höhe, gemittelt über die Geländeoberfläche, bezogen auf das Maß der Fußbodenoberkante des höchstgelegenen Geschosses, in dem ein Aufenthaltsraum möglich ist

2Brutto- Grundflächen

2.4.2 Schutzziele der Einzelanforderungen

Den konkreten Einzelanforderungen in den §§ 27-42 der MBO [1] sind allgemein formulierte Schutzziele vorangestellt, die die Bewertung der Gleichwertigkeit bei abweichenden Lösungen ermöglicht. Diese Beschreibung erlaubt für Bauteile die Zuordnung zu den europäischen Bauteilklassen.

Um das geforderte Schutzziel zu erreichen, sind, gestaffelt nach den Gebäudeklassen, die Anforderungen anschließend quantifiziert.

2.4.3 Anforderungen an Bauteile und Baustoffe

Das Brandverhalten von Baustoffen wird gemäß § 26 Abs. 1 MBO [1] beschrieben durch die Begriffe „nichtbrennbar“, „schwerentflammbar“ und „normalentflammbar“. Die Zuordnung der einzelnen Baustoffe erfolgt über Normprüfungen und ist der Anlage 0.2 der Bauregelliste A Teil 1 [9] zu entnehmen. Bestehen Baustoffe diese Prüfung nicht, so gelten sie als „leichtentflammbar“ und sind nicht zur Verwendung zugelassen. Die Anforderungen an die Entflammbarkeit von Baustoffen sind den Einzelanforderungen zu entnehmen ( z. B. § 28 MBO [1] für Außenwände).

Um die Schutzziele zu erreichen, werden nicht nur Ansprüche an das Brandverhalten, sondern auch an die Feuerwiderstandsfähigkeit von tragenden und nichttragenden Bauteilen gestellt. Die Feuerwiderstandsfähigkeit bezieht sich bei tragenden und aussteifenden Bauteilen auf deren Standsicherheit, bei raumabschließenden Bauteilen auf deren Widerstand gegen die Brandausbreitung. Klassifiziert ist die Feuerwiderstandsfähigkeit über die Feuerwiderstandsdauer ( in Minuten) von Bauteilen. Grundsätzlich gibt es drei Feuerwiderstandsklassen:

- feuerhemmend ( Feuerwiderstandsdauer 30 min)
- hochfeuerhemmend ( Feuerwiderstandsdauer 60 min)
- feuerbeständig ( Feuerwiderstandsdauer 90 min)

Eine vereinfachte Zuordnung zu den Normen DIN 4102-2 [3] und DIN EN 13501-2 [4] gibt Tabelle 2 wieder. Das Kürzel „R“ gemäß DIN EN 13501-2 steht für Tragfähigkeit, „E“ für Raumabschluss und „I“ für Wärmedämmung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2 : Vereinfachte Zuordnung der bauaufsichtlichen Bezeichnungen zu den Feuerwiderstandsklassen

Um den immer häufiger verwendeten Systembauweisen gerecht zu werden, differenziert die MBO 2002 [1] vier Baustoffverwendungsarten bei Bauteilen ( § 26 Abs. 2 Satz 2) und ordnet sie den Anforderungen „feuerbeständig“ und „feuerhemmend“ zu. So wird eine Verwendung von Bauteilen möglich, die nicht ausschließlich aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen.

Neben den Bauteilen, die nur aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen, gibt es drei weitere Verwendungsarten. Tabelle 3 gibt am Beispiel von tragenden Wänden die Zulässigkeit der Verwendung von brennbaren Baustoffen wieder, wie sie sich aus der gesetzlichen Verknüpfung in § 26 Abs. 2 Satz 3 [1] ergibt. Des weiteren ist auch die Zuordnung zu den Feuerwiderstandsklassen erkennbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 : Zulässigkeit der Verwendung brennbarer Baustoffe für tragende Wände mit

erforderlicher Feuerwiderstandsfähigkeit

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es bei Verwendung eines

Bauproduktes, das nicht in einem Teil der Bauregellisten geführt wird oder

bei Verwendung einer Bauart, deren Ausführung nicht nach einer Norm der

Liste der eingeführten technischen Baubestimmungen geregelt ist, es einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung bzw. einer Zustimmung im Einzelfall der obersten Bauaufsichtsbehörde des entsprechenden Bundeslandes bedarf.

2.4.4 Anforderungen an Rettungswege

Für jede Nutzungseinheit aus jedem Geschoß sind zwei voneinander unabhängige Rettungswege ( erster und zweiter Rettungsweg) erforderlich, die ins Freie führen. Dabei kann der zweite Rettungsweg auch eine durch mit Rettungsgeräten der Feuerwehr erreichbare Stelle einer Nutzungseinheit sein.

Der erste Rettungsweg innerhalb einer Geschossebene darf nach § 35 MBO [1] nicht länger als 35m bis zum nächsten Ausgang in einen sog. „notwendigen“ Treppenraum oder ins Freie sein. Die Nutzbarkeit des Treppenraums wird durch besondere Anforderungen an die Türen
( selbstschließend, feuerhemmend, raumdicht oder dicht) sichergestellt.

Die Minimierung des Risikos einer Brandentstehung oder –ausbreitung durch haustechnische Anlagen enthält die MBO [1] in den §§ 39-42 ( z. B. Risiko der Brandweiterleitung durch Versorgungsschächte oder
–leitungen).

2.5 Europäische Harmonisierung im Brandschutz

2.5.1 Bauproduktenrichtlinie

Mit dem stetigen Zusammenwachsen Europas geht auch der Wunsch einher, technische Hemmnisse beim Warenverkehr mit Bauprodukten innerhalb der Europäischen Union abzubauen.

Zur Harmonisierung der technischen Regeln und zur Angleichung der Rechts- und Verwaltungsvorschriften wurde die Bauproduktenrichtlinie [5] erlassen, die die wesentlichen Anforderungen ( mechanische Festigkeiten; Brandschutz; Hygiene, Gesundheit und Umweltschutz; Nutzungssicherheit; Schallschutz; Energieeinsparung und Wärmeschutz) an Bauteile festlegt.

Zur Konkretisierung der technischen Anforderungen für einzelne Bauprodukte dienen europäische Produktspezifikationen, sog. harmonisierte Nomen, europäisch technische Zulassungen sowie unterstützende Prüf- und Klassifizierungsnormen.

Die Umsetzung der Bauproduktenrichtlinie erfolgte in Deutschland durch eine entsprechende Anpassung der Landesbauordnungen und durch den Erlass des Bauproduktengesetzes [6].

2.5.2 Prüfung und Klassifizierung im Brandschutz

Als eine wesentliche Voraussetzung für die Harmonisierung des Brandschutzes wurden Prüf- und Klassifizierungsnormen erarbeitet.

Neben den Hauptklassifizierungskriterien der Entzündbarkeit und der frei werdenden Wärme werden nach dem europäischen Konzept auch Parallelerscheinungen ( z. B. Rauchentwicklung) eines Brandes erfasst.

Grundlage der europäischen Prüfverfahren sind drei Beanspruchungsstufen, die bereits aus DIN 4102-2 [3] bekannt sind:

- kleine Zündquelle
- einzelner brennender Gegenstand
- Vollbrand

Die Festlegungen zur Klassifizierung des Feuerwiderstandes von Bauprodukten, Bauwerken und Teilen davon wurden bereits in 2.4.3 gestreift und werden an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt.

Es sei nur darauf hingewiesen, dass im Gegensatz zur DIN 4102-2 [3] europäische Klassifizierungen die bei der Prüfung erzielten unterschiedlichen Zeiten für jedes einzelne Versagenskriterium angeben. In DIN 4102-2 [3] werden alle Kriterien in einer Gesamtklassifizierung erfasst.

In Deutschland besteht mit DIN 4102-4 [3] die Möglichkeit Baustoffe und Bauteile ohne weitere Prüfung hinsichtlich ihres Brandverhaltens und Feuerwiderstandes einzustufen. Auf europäischer Ebene steht eine solch umfassende Übersicht derzeit noch nicht zur Verfügung.

2.5.3 Brandschutzbemessung nach den Eurocodes

Im Auftrag der europäischen Kommission wurden die Eurocodes 1-9 von CEN ausgearbeitet. Sie enthalten Regeln für den Entwurf, die Berechnung und Bemessung von kompletten Tragwerken und Bauteilen auf der Basis von Rechenverfahren.

Die Brandschutzteile der Eurocodes 1 bis 6 und 9 bieten zudem Regeln für die Bemessung und Konstruktion von Bauteilen und Bauwerken unter Brandbeanspruchung mit Hilfe rechnerischer Nachweisverfahren an
( ausreichende Tragfähigkeit, Raumabschluss, Wärmedämmung).

Tabelle 4 gibt eine Zusammenstellung der Brandschutzteile der Eurocodes wieder.

Für die Bauteile bzw. Bauwerke aus Beton, Stahlbeton, Stahl, Stahlverbund, Mauerwerk und Aluminium werden grundsätzlich drei Nachweisstufen im Brandfall vorgesehen:

- Stufe 1: Nachweis mittels tabellarischer Daten
- Stufe 2: Nachweis mittels vereinfachter Rechenverfahren
- Stufe 3: Nachweis mittels allgemeiner ( genauer) Rechenverfahren

Dabei ist festzuhalten, dass der Aufwand von Stufe zu Stufe zunimmt.

Grundlagen für die Ermittlung der möglichen Beanspruchbarkeiten im Brandfall sind u. a. die jeweiligen charakteristischen Baustoffkennwerte in den baustoffbezogenen Eurocodes.

Für Tragwerke bzw. Bauteile aus Stahl werden die einzelnen Nachweisstufen in Kapitel 3 und für Tragwerke bzw. Bauteile aus Stahl im Verbund mit Beton in Kapitel 4 detailliert herausgearbeitet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4 : Zusammenstellung der Brandschutzteile der ECs und NADs

2.5.4 Europäische Klassifizierung im bauaufsichtlichen Verfahren

Für das Brandverhalten und den Feuerwiderstand von Bauteilen sei auf die Ausführungen des Kapitels 2.4.3 hingewiesen.

Es soll an dieser Stelle nur vermerkt werden, dass Baustoffe, die nach europäisch harmonisierten Produktnormen oder nach europäisch technischen Zulassungen hergestellt werden, ausschließlich nach den europäischen Prüfnormen zertifiziert und nach DIN EN 13501 [4] klassifiziert werden dürfen.

2.5.5 Europäische Klassifizierungen in der Praxis

Die Anwendbarkeit der europäischen Klassen nach DIN EN 13501 [4] und der bisherigen deutschen Klassen nach DIN 4102 [3] wird für eine Übergangszeit gleichwertig und alternativ möglich sein.

Soll ein europäisch nicht geregeltes Bauprodukt verwendet werden, das jedoch eine europäische Klasse ausweist, so muss das Brandverhalten mit einem vorgeschriebenem Verwendbarkeits- bzw. Übereinstimmungs-nachweis ( z. B. allgemeine bauaufsichtliche Zulassung) belegt sein.

2.6 Methoden des Brandschutzingenieurwesens im Kontext mit dem Bauordnungsrecht

2.6.1 Überblick

Wie bereits erläutert, begnügt sich das Bauordnungsrecht nicht allein mit der Formulierung von allgemeinen Schutzzielen, sondern stellt auch konkrete Anforderungen an den Brandschutz.

Diese quantifizierbaren Schutzzielvorgaben bilden nicht zuletzt die Grundlagen für die Methoden des Brandschutzingenieurwesens. Abweichend von den konkreten Brandschutzanforderungen des Gesetzes sind hier bei gleichem Sicherheitsniveau ingenieurmäßige Nachweise möglich. Durch die quantifizierbaren Schutzzielvorgaben wird eine Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Nachweisverfahren erreicht. Die sicherheitstechnische Gleichwertigkeit bleibt transparent.

Unter Brandschutzingenieurmethoden versteht man die Anwendung von ingenieurmäßigen Ansätzen, Prinzipien und Methoden, die auf wissenschaftlichen Erkenntnissen beruhen. Es handelt sich demnach um theoretische und empirische Ansätze, die durch Versuche letztendlich wissenschaftlich bewiesen sind.

Zu folgenden Aspekten eines Brandschutzkonzeptes liegen derzeit Ingenieurmethoden vor ( im Abschnitt 2.6.2 wird exemplarisch auf einen Aspekt näher eingegangen):

- Evakuierungsberechnungen
- Nachweisberechnungen zur Rauchfreihaltung/ Rauchableitung von bzw. aus Flucht- oder Rettungswegen in Räumen
- Nachweisberechnungen zur Rauchfreihaltung/ Rauchableitung von notwendigen Fluren oder Treppenräumen
- Nachweise zur Bestimmung der erforderlichen Feuerwiderstands-dauer von Bauteilen in Gebäuden ( s. a. 2.6.2)
- Nachweise zur Bestimmung der vorhandenen Feuerwiderstands-dauer von Gebäuden und Bauteilen
- Nachweisberechnung zur ausreichenden Löschmittelbe-aufschlagung im Hinblick auf die Dimensionierung von selbsttätigen bzw. automatischen Feuerlöschanlagen
- Berechnungen zur Bestimmung des brandschutztechnisch erforderlichen Abstandes zwischen baulichen Anlagen

Sollen Rechenmethoden verwendet werden, die bisher nicht im Rahmen der bautechnischen Nachweisführung anerkannt sind, so müssen diese Nachweise verifiziert werden. Das bedeutet, die Nachweise müssen vollständig, nachvollziehbar und hinreichend einfach prüfbar sein. Kenntnisse über die maßgebenden Produktmerkmale müssen zur Verfügung stehen. Die Verifikation, die Bestandteil der prüfbaren Dokumentation ist, setzt einen Vergleich bzw. Abgleich mit Versuchen oder bereits anerkannten und damit validierten Berechnungsmethoden voraus. Unter Validität ist die persönliche Erklärung des Aufstellers oder Anwenders zu verstehen, dass die angewandte Methode hinreichend genau mit dem tatsächlich vorhandenen Sachverhalt übereinstimmt ( Hersteller-, Anwendererklärung).

Bei Heranziehen von Nachweis- bzw. Rechenverfahren, die bereits Bestandteil von Normen sind, ist eine Verifikation in der Regel nicht erforderlich, da vorausgesetzt werden kann, dass es sich um eine allgemein anerkannte Regel der Technik handelt.

Es soll an dieser Stelle jedoch nicht versäumt werden darauf hinzuweisen, dass bis zum Vorliegen europäisch abgestimmter Grundlagen für eine Anwendung von Ingenieurmethoden im Brandschutz, in Deutschland eine Zustimmung im Einzelfall bei der zuständigen Bauaufsichtsbehörde einzuholen ist.

2.6.2 Brandsimulationsmodelle zur Bestimmung der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer als ein Beispiel des Brandschutz-ingenieurwesens

Grundsätzlich gibt es „vereinfachte“ und „erweiterte“ Brandmodelle.

Dem vereinfachten Brandmodell können Verfahren zugeordnet werden, denen folgende Ansätze zu Grunde liegen:

- Nominelle oder sog. parameterabhängige Temperaturzeitkurven
( z. B. die Einheitstemperaturzeitkurve nach DIN 4102-2 [3])
- äquivalente Branddauer ( z. B. nach DIN 18230 [7] oder DASt 019 [18] mittlerweile gängige Praxis)
- Energiefreisetzungsraten ( z. B. EC 1-1-2, Anhang E [11])
Bei den erweiterten Brandmodellen wird je nach Berechnungsansatz unterschieden zwischen
- Ein- Zonen- Modellen ( gleichmäßige Temperaturverteilung im Raum),
- Zwei- Zonen- Modellen ( Annahme einer oberen Heißgasschicht und einer unteren kühlen Zone mit jeweils gleichmäßigen Temperaturverteilungen),
- Mehrraumzonenmodellen ( zweckdienliche Kopplung mehrerer Zwei- Zonen- Modelle) und
- Feldmodellen ( sog. „Computational Fluid Dynamics“, CFD- Codes, basierend auf einer Vielzahl von Feldern bzw. Zellen mit einer Größe von 10cm bis 100cm; zeitliche Berücksichtigung der Dichteänderung und somit der Zu- und Abflüsse je Volumen)

Die Brandsimulationsmodelle der erweiterten Methoden sollten den Grundgleichungen der Energie- und Massebilanz folgen.

3.BRANDSCHUTZTECHNISCHE BEMESSUNGSVERFAHREN IM STAHLBAU

3.1 Mögliche Nachweisverfahren

Grundsätzlich können die erforderlichen brandschutztechnischen Nachweise im Stahlbau derzeit in Deutschland nach DIN 4102 [3] oder nach den Brandschutzteilen der Eurocodes 1 [11, 12] und 3 [13, 14] geführt werden ( siehe auch Bild 1).

Die Entscheidung, ob die brandschutztechnische Bemessung nach DIN 4102 oder nach Eurocode erfolgt, hängt von der Bemessungsnorm ab, die für die Gebrauchslastfälle verwendet wird. Die Kaltbemessung und die Heißbemessung müssen aus der gleichen Normenfamilie ( DIN oder EC) stammen ( Mischungsverbot). Es dürfen auch keine DIN- Normen unterschiedlicher Normengeneration ( globales oder semi- probabi-listisches Sicherheitskonzept) zusammen verwendet werden.

Bei Anwendung der europäischen Vornormen DIN V ENV müssen die so genannten „Nationalen Anwendungsdokumente“ ( NAD) beachtet werden, die die Anpassung an das nationale Sicherheitsniveau regeln.

Die Brandschutzteile der Eurocodes unterscheiden zwischen Nachweisen für Gesamttragwerke, Tragwerksausschnitte und Einzelbauteile.

Der Brandschutznachweis muss grundsätzlich für die Tragfähigkeit, den Raumabschluss und die Wärmedämmung geführt werden. Wie bereits erwähnt, sind prinzipiell drei Verfahren der Nachweisführung möglich:

Stufe 1: Nachweis mit brandschutztechnischen Bemessungs-tabellen ( siehe 3.2)

Stufe 2: Vereinfachtes Rechenverfahren ( siehe 3.3)
Stufe 3: Allgemeines Rechenverfahren ( siehe 3.4)

Der Aufwand für die Nachweisführung nimmt dabei von Stufe 1 nach 3 zu. Allerdings werden auch die erzielten Ergebnisse von Stufe 1 nach 3 hinsichtlich der Reduzierung der Baukosten günstiger.

Das Nachweisverfahren mit Tabellen liegt somit am weitesten auf der „sicheren Seite“; es ist das konservativste Verfahren. Wirklichkeitsnäher wird das Tragverhalten durch die aufwändigeren vereinfachten oder allgemeinen Rechenverfahren wiedergegeben.

In den folgenden Kapiteln 3.2 bis 3.4 wird auf die einzelnen Verfahren und ihre Anwendungsgrenzen näher eingegangen. Der Vollständigkeit halber wird hier auch die Bemessung mit tabellarischen Daten kurz umrissen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1 : Zuordnung zwischen Brandbeanspruchung und Nachweisverfahren ( aus [24])

3.2 Klassifizierung bzw. Bemessung mit tabellarischen Daten

3.2.1 Anwendungsmöglichkeiten und –grenzen, bauordnungsrechtliche Aspekte

Die brandschutztechnischen Bemessungstabellen können nur für Teile eines Tragwerks, z. B. Stützen, angewendet werden.

Sind Bauteile nicht in den Brandschutztabellen der Eurocodes ( oder der DIN 4102-4 [3]) enthalten, so muss die Feuerwiderstandsfähigkeit durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung oder ein allgemeines Prüf-zeugnis einer anerkannten Prüfstelle zertifiziert sein.

Der Zulassungsbedürftigkeit kann jedoch auch durch eine Zustimmung im Einzelfall der obersten Bauaufsichtsbehörde genüge getan werden.

Die Klassifizierung von Einzelbauteilen setzt voraus, dass die lastabtragenden und die aussteifenden Bauteile mindestens die gleiche Feuerwiderstandsfähigkeit haben.

Derzeit stehen nur Tabellen nach DIN 4102-4 [3] zur Verfügung. Ob der Eurocode 3, Teil 1-2 [14] dahingehend ergänzt wird, ist fragwürdig, handelt es sich doch meist um hersteller- und produktspezifische Daten.

3.2.2 Grundlagen

Die tabellarischen Daten stellen die Ergebnisse von Brandversuchen dar.

Die Feuerwiderstandsfähigkeit hinsichtlich Tragfähigkeit, Raumabschluss und Wärmedämmung wird auf Basis der Einheitstemperaturzeitkurve
( nominelle Temperaturzeitkurve nach EC 1, Teil 1-2 [11]), die immer von einem Vollbrand ausgeht, erbracht.

3.2.3 Vorgehensweise beim Nachweis, Erläuterung der wichtigsten Schutzsysteme

Die erforderlichen Eingangswerte zur Verwendung der Tabellen sind:

- Funktion des betrachteten Bauteils ( Träger, Stütze)
- Erforderliche Feuerwiderstandsfähigkeit ( im Brandschutz-konzept ausgewiesen)
- verwendetes Stahlbauprofil ( resultierend aus der statischen Berechnung für den Gebrauchszustand ­­- Kaltbemessung) zur Bestimmung des Profilfaktors U/A
- Brandbeanspruchung ( 3- oder 4-seitig)
- Vorwahl des Schutzsystems

Bedingt durch den signifikanten Festigkeitsverlust des Baustahls bei höheren Temperaturen ( bei 800°C nur noch ca. 10% der Festigkeit) sind die Profile in der Regel bei Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer durch eine Beplankung, eine Putzbekleidung oder durch einen Anstrich zu schützen.

Eine Ausnahme bilden hier sogenannte „feuerresistente“ Stähle. Im Gegensatz zu konventionellen Baustählen verlieren diese bei hohen Temperaturen nicht so schnell an Tragfähigkeit, sodass eine ungeschützte Verwendung derzeit bis zu einer erforderlichen Feuerwiderstandsdauer von 30 Minuten möglich ist. Die Verwendbarkeit ist durch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung geregelt. Allerdings sind diese Stähle nicht in der üblichen Bandbreite der gesamten Profilvielfalt erhältlich und zudem relativ teuer. Momentan wird für die Feuerwiderstandsdauer R 30 meist ein Schutzanstrich bevorzugt.

Exemplarisch sollen hier die am häufigsten verwendeten Schutzsysteme kurz vorgestellt werden.

Bei den profilfolgenden Schutzanstrichen unterscheidet man prinzipiell zwei Typen:

- dämmschichtbildende Anstriche:

Die brandschützende Schicht wird erst bei Feuereinwirkung gebil-det. Somit bleibt das Stahlbauprofil als architektonisches Element sichtbar. Dämmschichtbildende Anstriche erlauben vielfältige Farb-gebungen und wirken gleichzeitig als Korrosionsschutzsystem. Ver-arbeitet werden sie wie ein Anstrich. Seit einiger Zeit sind diese Anstriche auch für eine erforderliche Feuerwiderstandsdauer von 90 Minuten durch eine hersteller- und produktspezifische bauaufsichtliche Zulassung geregelt.

- Ablationsanstriche:

Ablative Brandschutzmaterialien verzögern den Wärmedurchgang. Das im Brandschutzmaterial chemisch gebundene Wasser wird durch einen endothermen Vorgang abgespalten und entzieht so dem Brand Wärmeenergie.

Reaktive Brandschutzsysteme können auch aus einer Kombination der beiden Anstrichtypen bestehen.

Bei der Verwendung von Schutzanstrichen ist jedoch darauf zu achten, dass die bauaufsichtlichen Zulassungen meist keine Anwendung für reine Zugglieder ( z. B. Verbandsdiagonalen oder Unterspannungen) aus Vollstahlprofilen zulassen. Hier ist eine Zustimmung im Einzelfall einzuholen.

Bei den Spritzputzummantelungen werden sowohl Systeme mit nicht-brennbaren Putzträgern, als auch Systeme ohne Putzträger verbaut. Werden keine Putzträger verwendet, so ist darauf zu achten, dass der vorhandene Untergrund, der in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ggf. bereits gegen Korrosion geschützt ist, verseifungsbeständig ist. Nur so können die Haftmittelzusätze eine ausreichende Wirkung entfalten.

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Details

Seiten
585
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783836608930
Dateigröße
14.9 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v225539
Institution / Hochschule
Technische Universität Dresden – Bauingenieurwesen, Bauingenieurwesen
Note
1,5
Schlagworte
heissbemessung stahlbau brandschutz eurocode stahlverbundbau

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Titel: Entwurf und Berechnung von Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen unter besonderer Berücksichtigung des baulichen Brandschutzes