Aufgabenstellung
Ziel der Arbeit: Im Rahmen der Diplomarbeit sollen die Auswirkungen der neuen Normengeneration auf die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen analysiert und verdeutlicht werden.
Folgende Aspekte sind im Einzelnen zu untersuchen:
1. Erläuterung der Grundlagen:
Der Begriff des Brandschutzes ist zu definieren und die theoretischen Grundlagen des technischen Brandschutzes sind näher zu erläutern. Insbesondere ist auf das Materialverhalten und das Systemverhalten von Stahlbetonstützen bei hohen Temperaturen einzugehen. Weiterhin sind die rechtlichen Rahmenbedingungen in Form von Gesetzen, Normen und Verordnungen darzustellen.
2. Bemessungsverfahren gemäß der Normung
Mit der Einführung des semiprobabilistischen Sicherheitskonzept gem. DIN 1055-100 und DIN 1045-1 ist auch eine Überarbeitung der brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonbauteilen erforderlich.
Die Verfahren sowie die Unterschiede und Abweichungen der bisherigen Bemessungsverfahren zu den neuen Verfahren der DIN V ENV 1992-1-2 sowie der DIN 4102-22 sind heraus zu arbeiten und zu erläutern.
3. Brandschutztechnische Beurteilung verschiedener Stützensysteme
Stützen in verschieblichen und unverschieblichen Systemen sind hinsichtlich ihrer Feuerwiderstandsklasse zu beurteilen bzw. zu bemessen.
Hierzu sind die unter Pkt. 2 beschriebenen Bemessungsverfahren nach DIN 4102 in Verbin-dung mit der DIN 1045: 1988-07, bzw. DIN 4102 in Verbindung mit der DIN 1045-1: 2001-7 und DIN V ENV 1992-1-2 anzuwenden.
Es sind Systeme der Eulerfälle 1 und 2 für verschiedene Parameter zu untersuchen.
Länge: 2,0 – 6,0
Schlankheit: 20 - 100
Ausnutzungsgrad: 0,3 – 1
Evtl. können die Eulerfälle 3 und 4 untersucht werden und die Eulerfälle 5 und 6 qualitativ beurteilt werden.
Ein besonderes Augenmerk ist den Voraussetzungen der Anwendbarkeit, den Hintergründen der Einschränkungen und den neuesten Erkenntnissen auf dem Gebiet zu widmen.
Die ermittelten Ergebnisse sind zu erläutern und die Unterschiede der Bemessungsergebnisse zwischen „alter“ und „neuer“ Normung sind darzustellen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Gliederung der Arbeit
2 Grundlagen
2.1 Brandschutz
2.2 Brandablauf
2.3 Gesetzliche Grundlagen
2.4 Technische Baubestimmungen
2.4.1 Allgemeines
2.4.2 Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102
2.5 Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonstützen
2.5.1 Allgemeines
2.5.2 Abplatzverhalten
2.5.3 Hochtemperaturverhalten von Beton und Stahl
2.5.4 Temperaturverteilung im Querschnitt
3 Brandschutzbemessung nach DIN
3.1 Geschichtlicher Abriss
3.2 Bemessung nach DIN 4102-4
3.3 DIBt-Richtlinie als Übergangslösung
3.4 Bemessung nach DIN 4102-22
3.4.1 Allgemeines
3.4.2 α*-Verfahren
3.4.3 Neue Tabelle 31
3.4.4 Erweiterte Tabelle 31
3.5 Randbedingungen der neuen Tabelle 31
3.6 Bemessungsbeispiel 1
3.6.1 Brandschutzbemessung nach DIN 4102-4
3.6.2 Brandschutzbemessung nach DIBt-Richtlinie
3.6.3 Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (α*-Verfahren)
3.6.4 Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (Neue Tabelle 31)
3.6.5 Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (erweiterte Tabelle 31)
3.6.6 Bemessungsbeispiel 2
3.6.7 Brandschutzbemessung nach DIBt-Richtlinie
3.6.8 Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (α*-Verfahren)
4 Brandschutzbemessung nach EC
4.1 Allgemeines
4.1.1 Geschichtlicher Abriss
4.1.2 DIN V ENV 1992-1-2
4.1.3 DIN EN 1992-1-2
4.2 Tabellarische Bemessung
4.3 Bemessungsbeispiel 3
4.4 Vereinfachtes Berechnungsverfahren
4.5 Bemessungsbeispiel 4
4.5.1 Programmgesteuerte Berechnung
4.5.2 Berechnung mit einem Interaktionsdiagramm
4.6 Allgemeines Rechenverfahren
4.6.1 Thermische Analyse
4.6.1.1 Thermische Einwirkungen
4.6.1.2 Temperaturverteilung in Bauteilen
4.6.1.3 Mechanische Analyse
4.6.1.4 Mechanische Einwirkungen
4.6.1.5 Tragfähigkeit von Bauteilen
5 Parameterstudie
5.1 Allgemeines
5.2 Kalte Bemessung
5.3 Programmbeschreibung
5.4 Pendelstütze
5.4.1 Festlegung der Parameter
5.4.2 Brandschutztechnische Bemessung
5.4.2.1 Berechnungsergebnisse (l = 6 m, cnom = 25 mm)
5.4.2.2 Berechnungsergebnisse (l = 6 m, cnom = 30 mm)
5.4.2.3 Berechnungsergebnisse (l = 6 m, cnom = 35 mm)
5.4.2.4 Berechnungsergebnisse (l = 4 m, cnom = 25 mm)
5.4.2.5 Berechnungsergebnisse (l = 4 m, cnom = 30 mm)
5.4.2.6 Berechnungsergebnisse (l = 4 m, cnom = 35 mm)
5.4.3 Auswertung von Berechnungsergebnissen
5.4.3.1 Allgemeines
5.4.3.2 Auswirkung der Stützenlänge
5.4.3.3 Überschreitungen des Ausnutzungsgrades
5.4.3.4 Auswirkung des Achsabstandes
5.4.3.5 Auswirkung der kalten Bemessung
5.5 Kragstütze
5.5.1 Brandschutztechnische Bemessung
5.5.1.1 Versuchsstütze 1
5.5.1.2 Versuchsstütze 2
5.5.1.3 Versuchsstütze 3
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, die brandschutztechnischen Bemessungsverfahren für Stahlbetonstützen detailliert zu beschreiben und deren praktische Anwendung anhand von konkreten Berechnungsbeispielen zu demonstrieren. Dabei wird insbesondere auf die Veränderungen durch die Umstellung von nationalen Normen (DIN) auf europäische Normen (Eurocodes) eingegangen, wobei ein besonderer Fokus auf den Auswirkungen der Bemessungsparameter liegt.
- Vergleichende Analyse von Bemessungsverfahren nach DIN und EC (Eurocode 2).
- Einfluss von Materialeigenschaften und Brandbeanspruchung auf das Tragverhalten von Stahlbetonstützen.
- Durchführung einer umfassenden Parameterstudie zu verschiedenen Stützengeometrien und Bewehrungsanordnungen.
- Untersuchung der Auswirkungen von Stützenlänge, Achsabstand und Ausnutzungsgrad auf die Feuerwiderstandsdauer.
- Bewertung von Vereinfachungen gegenüber allgemeinen Rechenverfahren hinsichtlich Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.
Auszug aus dem Buch
2.5 Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonstützen
Stützen sind meist tragende Bauteile eines Tragwerks und daher statisch und brandschutztechnisch von wesentlicher Bedeutung. Eine Stahlbetonstütze ist ein vorwiegend auf Druck belastetes Verbundbauteil aus Beton und Stahl. Das Brandverhalten von Stahlbetonstützen hängt im Wesentlichen von den Einflüssen ab, die auch das Verhalten im Kaltzustand bestimmen:
• Schlankheit
• Planmäßige oder ungewollte Lastausmitten
• Lastausnutzungsgrad
• Bewehrungsanteil
• Lagerungsbedingungen
Die Einflüsse sind eng miteinander verknüpft, wobei sie sich teilweise addieren, teilweise aber entgegengerichtete Wirkungen auslösen.
Stahlbetonstützen sind in der Regel monolithisch mit dem unteren und oberen waagerechten Anschluss-System (Decken oder Unterzüge) verbunden. Durch diesen Effekt gewinnen die Stützen bei der Erwärmung in den Kopf- und Fußbereichen an Steifigkeit, da dort der Aufheizvorgang wegen großer Massigkeit langsamer abläuft. Es stellt sich eine konstruktive Einspannung ein, die das Bauteilverhalten günstig beeinflusst [Mehlhorn 1997].
Bei den geringfügig ausmittig belasteten Stahlbetonstützen tritt das Versagen in den meisten Fällen durch Überschreiten der Betondruckfestigkeit auf. Bei geringeren Bewehrungsgehalten spielt die Bewehrung in der Regel eine untergeordnete Rolle, deshalb werden dem Beton höhere Lastanteile zugewiesen. Bei hohen Bewehrungsgehalten sind beide Baustoffe für das Tragverhalten im Brand gleichermaßen verantwortlich. Dabei wächst der Anteil der durch die Bewehrung aufzunehmenden Druckkraft an. Im Falle eines ausmittigen Lastangriffs am Stützenkopf bzw. einer horizontalen Lastkomponente, z.B. Wind, können in den Randbereichen Biegezugspannungen auftreten, so dass die Bewehrung in diesen Bereichen auch Zugkräfte aufzunehmen hat [Kordina 1999]. In dem Fall spielt die kritische Stahltemperatur im Hinblick auf die Gesamttragfähigkeit eine wichtige Rolle. Der Beton schirmt die Stahleinlagen vor der direkten Beflammung ab und verzögert als schlechter Wärmeleiter die Erwärmung der Bewehrungsstäbe. Aus diesem Grund kommt dem Maß der Betonüberdeckung als isolierende Schutzschicht eine große Bedeutung zu.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Problemstellung der Normenumstellung von DIN 1045 auf DIN 1045-1 und die daraus resultierenden Herausforderungen für die brandschutztechnische Bemessung sowie die Zielsetzung der Arbeit.
2 Grundlagen: Definiert die Begriffe des Brandschutzes, erläutert den Brandablauf und fasst die gesetzlichen sowie technischen Rahmenbedingungen zusammen.
3 Brandschutzbemessung nach DIN: Detaillierte Betrachtung der tabellarischen Verfahren (DIN 4102-4) inklusive der historischen Übergangsregelungen und der praktischen Anwendung an Beispielen.
4 Brandschutzbemessung nach EC: Einführung in die europäischen Normen (EN 1992-1-2) und Erläuterung der vereinfachten sowie allgemeinen Rechenverfahren für den Brandschutznachweis.
5 Parameterstudie: Umfangreiche numerische Untersuchung verschiedener Stützenparameter wie Länge, Achsabstand und Bewehrung zur Bewertung der Auswirkungen auf die Feuerwiderstandsdauer.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Arbeit mit einer kritischen Bewertung der verschiedenen Bemessungsansätze und Empfehlungen für die brandschutztechnische Planungspraxis.
Schlüsselwörter
Brandschutzbemessung, Stahlbetonstützen, Feuerwiderstandsdauer, DIN 4102, Eurocode 2, EN 1992-1-2, Kaltbemessung, Heißbemessung, Parameterstudie, Ausnutzungsgrad, Abplatzverhalten, Bewehrungsgehalt, Tragfähigkeit, Modellstützenverfahren, Temperaturverteilung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen unter Berücksichtigung der Umstellung von nationalen deutschen Normen auf europäische Eurocodes.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf den Grundlagen des vorbeugenden Brandschutzes, der Anwendung tabellarischer Bemessungsverfahren nach DIN, der Berechnung nach europäischen Normen (EC) sowie der Durchführung einer detaillierten Parameterstudie zur Stützenbemessung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, die verschiedenen Bemessungsverfahren für Stahlbetonstützen im Brandfall detailliert zu erläutern und durch die praktische Anwendung an Beispielen die Einflüsse von Parametern wie Stützenlänge, Bewehrung und Achsabstand auf die Feuerwiderstandsklasse quantitativ zu bewerten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Neben der theoretischen Herleitung und dem Vergleich normativer Ansätze werden für die Parameterstudie computergestützte Berechnungsverfahren (insbesondere das Programm Column von SOFiSTiK) genutzt, um thermische und mechanische Analysen durchzuführen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die tabellarische Bemessung nach DIN (Kapitel 3), die Bemessung nach europäischen Normen inklusive allgemeiner Rechenverfahren (Kapitel 4) und die umfangreiche numerische Parameterstudie (Kapitel 5).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Zu den zentralen Begriffen zählen: Brandschutzbemessung, Stahlbetonstützen, Feuerwiderstandsdauer, DIN 4102, EN 1992-1-2, Parameterstudie und Ausnutzungsgrad.
Warum ist die Wahl des Achsabstandes bei Stahlbetonstützen im Brandfall so kritisch?
Der Achsabstand bestimmt maßgeblich, wie schnell die Hitze des Brandes die Bewehrungsstäbe erreicht. Da Stahl bei hohen Temperaturen seine Festigkeit verliert, schützt eine ausreichende Betondeckung (Achsabstand) das Bewehrungseisen vor der direkten Temperatureinwirkung und verzögert somit das rechnerische Versagen.
Welchen Einfluss hat die Stützenlänge auf die Bemessungsergebnisse in der Studie?
Die Studie zeigt, dass bei kürzeren Stützen (l = 4 m) die Tragreserven oft größer sind als bei langen Stützen (l = 6 m). Während einige tabellarische Verfahren dies unberücksichtigt lassen, ermöglicht eine differenzierte Betrachtung (Längeninterpolation) wirtschaftlichere Ergebnisse.
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- Dipl.-Ing Slava Naumann (Author), 2007, Parameterstudie zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/121557
