Parameterstudie zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen


Diplomarbeit, 2008

163 Seiten, Note: 1.3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

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 a*-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 (a*-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 (a*-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

Anlage 1:

Anlage 2:

Literaturverzeichnis

Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Brandschutzmaßnahmen [Kordina 1999]

Abbildung 2.2: Brandphasen [Kordina 1999]

Abbildung 2.3: Übersicht der bauaufsichtlichen Brandschutz-Forderung

Abbildung 2.4: Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102

Abbildung 2.5: Einheits-Temperaturzeitkurve nach DIN 4102-2

Abbildung 2.6: Abplatzungen bei einer Stütze nach einer Brandeinwirkung

Abbildung 2.7: Temperaturabhängiger Spannungs-Dehnungs-Verlauf für Normalbeton [Werner 2006]

Abbildung 2.8: Relative Strackgrenze von Baustählen bei Temperaturerhöhung [Kordina 1999]

Abbildung 2.9: Temperaturabhängige Längenänderung von Beton und Stahl [Mehlhorn 1997]

Abbildung 2.10: Temperaturfelder im Stützenquerschnitt [Avak 2007/1]

Abbildung 2.11: Temperatur- und zeitabhängige Einwirkungen und Widerstände im Brandfall [Avak 2007/1]

Abbildung 3.1: Achsabstand der Bewehrung [Kordina 1999]

Abbildung 3.2: Tabelle 31. Mindestdicke und Mindestachsabstände der Stützen aus Normalbeton [DIN 4102-4]

Abbildung 3.3: Tabelle 4.1. Mindestdicken und Mindestachsabstände von Stahlbetonstützen aus Normalbeton [DIN V ENV 1992-1-2]

Abbildung 3.4: Tabelle 4.1. Mindestdicken und Mindestachsenabstände von Stahlbetonstützen aus Normalbeton [DIBt-Richtlinie]

Abbildung 3.5: Ermittlung von vRd,fi(0) mit Hilfe des Interaktionsdiagramms

Abbildung 3.6: Faktor a* [DIN 4102-22]

Abbildung 3.7: Parameter für die Ermittlung der tabellierten Stützenquerschnitte [Hosser 2005]

Abbildung 3.8: Tabelle 31 aus der Anlage 3.1/10 (2007) zu DIN 4102-22

Abbildung 3.9: Erweiterte Tabelle 31 aus der Anlage 3.1/10 (2008) zu DIN 4102­22

Abbildung 3.10: Lineare Interpolation der Mindestdicken in Abhängigkeit der Stützenlänge [Richter 2007]

Abbildung 3.11: Verformung der Stütze in innen liegenden Geschossen [Richter 2007]

Abbildung 3.12: Verformung der Stützen im obersten Geschossen [Richter 2007]

Abbildung 3.13: Ausschnitt aus der neuen Tabelle 31

Abbildung 3.14: Ausschnitt aus der erweiterten Tabelle 31

Abbildung 4.1: Nicht nach DIN 4102 geregelte Stahlbetonstützen

Abbildung 4.2: Tabelle 5.1a zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.3: Verkleinerter Querschnitt einer Stahlbetonstütze [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.4: Unterteilung einer Wand in Zonen für die Berechnung der Festigkeitsreduktion und az-Werte [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.5: Beiwert kc(0) zur Berücksichtigung des Abfalls der charakteristischen Druckfestigkeit (fck) von Beton [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.6: Reduktion des Querschnitts einer Stütze [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.7: Reduktion der Betondruckfestigkeit [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.8: Werte für die Hauptparameter der Spannungs­ Dehnungsbeziehung von Normalbeton bei erhöhten Temperaturen [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.9: Temperaturprofile für R 90 [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.10: Reduktion der charakteristischen Stahlfestigkeit [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.11: Werte für die Parameter der Spannungs-Dehnungsbeziehung von Betonstahl bei erhöhten Temperaturen [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.12: Berücksichtigung der Verteilung von Bewehrungsstäben im Stützenquerschnitt [Vogelsang 2008]

Abbildung 4.13: Brandverhalten der Baustoffe [Zehfuß 2004]

Abbildung 4.14: Spezifische Wärme von Beton mit quarzhaltigem Zuschlag in Abhängigkeit von Temperatur [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.15: Wärmekapazität von Stahl [EN 1993-1-2]

Abbildung 4.16: Thermische Leitfähigkeit von Beton [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.17: Thermische Leitfähigkeit von Stahl [EN 1993-1-2]

Abbildung 4.18: Thermische Dehnung von Beton [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.19: Thermische Dehnung von Stahl [EN 1993-1-2]

Abbildung 4.20: Temperaturverteilung (links) und Isothermen (rechts) in °C [Column]

Abbildung 4.21: Veränderung des Reduktionsfaktors pfi als Funktion der Einwirkungen QM / Gk [Hosser 2006]

Abbildung 4.22: Temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien von Beton [Hosser 2006]

Abbildung 4.23: Temperaturabhängiger Abfall der Druckfestigkeit von Beton [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.24: Temperaturabhängiger Abfall der Zugfestigkeit von Beton [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.25: Typisierte temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien von Betonstahl [EN 1992-1-2]

Abbildung 4.26: Temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien von Baustahl [Hosser 2006]

Abbildung 4.27: Temperaturabhängige Abnahme des E-Moduls von Stahl [Müller 2005]

Abbildung 5.1: Verkrümmungsverlauf der Modelstütze [Avak 2007]

Abbildung 5.2: FE-Netz (Ausschnitt aus dem Ergebnissausdruck) [Column]

Abbildung 5.3: Spannungen in einem Rechteckquerschnitt bei zentrischer Belastung (links) und Biegemoment (rechts) [Column]

Abbildung 5.4: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 6 m; cnom = 25 mm)

Abbildung 5.5: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 6 m; cnom = 30 mm)

Abbildung 5.6: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 6 m; cnom = 35 mm)

Abbildung 5.7: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 4 m; cnom = 25 mm)

Abbildung 5.8: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 4 m; cnom = 30 mm)

Abbildung 5.9: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 4 m; Cnom = 35 mm)

Abbildung 5.10: Vergleich der Mindestquerschnittsdicken für maxl = 6 m und minl = 2 m der erweiterten Tabelle 31

Abbildung 5.11: Vergleich der Mindestquerschnittsdicken der Tabelle 5.1a und der erweiterten Tabelle 31

Abbildung 5.12: Vergleich der Mindestachsabstände der Tabelle 5.1a und der erweiterten Tabelle 31

Abbildung 5.13: Grafische Darstellung der Tabelle 5.5

Abbildung 5.14: Ausnutzungsfaktor in Abhängigkeit von dem Verhältnis NGk/NQk128 Abbildung 5.15: Erforderliche und vorhandene Bewehrungsmenge unter Brandangriff in Abhängigkeit von Ausnutzungsfaktor

Abbildung 5.16: Brandschutztechnische Einstufung der Stütze mit unterschiedlichen Kaltbemessungsergebnissen

Abbildung 5.17: Erforderliche Bewehrungsmenge für Gebrauchs- und Brandfall in Abhängigkeit von der Belastung, des Bewehrungsbildes und des Achsabstandes

Abbildung 5.18: Einwirkungsmoment und Widerstandsmoment unter Brandbeanspruchung in Abhängigkeit von der Branddauer (Lastfall 1, d = 55 mm)

Abbildung 5.19: Längskrafteinwirkung und Bauteilwiderstand unter Brandbeanspruchung in Abhängigkeit von der Branddauer (Lastfall 1, d = 55 mm)

Abbildung 5.20: Einwirkungsmoment und Widerstandsmoment unter Brandbeanspruchung in Abhängigkeit von der Branddauer (Lastfall 1, d = 45 mm)

Abbildung 5.21: Temperaturverteilungen bei Normbrand für R 90 (links d = 45 mm, rechts d = 55 mm) [Column]

Abbildung 5.22: Isothermen für R 90 mit 8 0 14 und 4 0 20 mit d = 45 mm Ausschnitt aus dem Ergebnissausdruck [Column]

Abbildung 5.23: Erforderliche Bewehrungsmenge für den Gebrauchs- und Brandfall in Abhängigkeit von der Stützenlänge und des Bewehrungsbildes

Abbildung 5.24: Isothermen für R 90 mit 8 0 14 und 4 0 20 mit d = 55 mm Ausschnitt aus dem Ergebnissausdruck [Column]

Abbildung 5.25: Erforderliche Bewehrungsmenge für den Brandzustand in Abhängigkeit von Lastfällen und Branddauer

Abbildung 5.26: Ermittlung der Schnittgrößen am unverformten (links) und verformten System [Avak 2007/2]

Abbildung 5.27: Bemessungswerte der Normalkraft in Abhängigkeit von Lastfällen für Gebrauchs- und Heißzustand

Abbildung 5.28: Feuerwiderstandsdauer in Abhängigkeit von M/N-Verhältnis

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1: Gebäudeklassen nach Landesbauordnung [LBO 2002]

Tabelle 2.2: Aktuelle Normen für Beton und Stahlbeton

Tabelle 2.3: Maßgebende Normteile der DIN 4102 für die Betonbauweise

Tabelle 2.4: Zuordnung der Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102 zu den bauordnungsrechtlichen Anforderungen nach MBO

Tabelle 2.5: Arten, Ursachen und Wirkungen von Abplatzungen bei normalfestem Beton

Tabelle 3.1: Bisherige Entwicklung der tabellarischen Brandschutzbemessung .

Tabelle 3.2: Interpolation der Mindestdicke für R 90, l = 2,5 m

Tabelle 3.3: Interpolation des Mindestachsabstandes für R 90, l = 2,5 m

Tabelle 4.1: Gleichstellung der Euroklassen mit den Kriterien in Deutschland

Tabelle 4.2: Randbedingungen und Anwendungsgrenzen nach DIN EN 1992­1-2

Tabelle 4.3: Stahlbetonstütze, Bemessungsbeispiel 3 a

Tabelle 4.4: Pendelstütze, Bemessungsbeispiel 4

Tabelle 5.1: Erforderliche Bewehrungsmenge [cm[2]]

Tabelle 5.2: Brandschutztechnische Bemessungsverfahren

Tabelle 5.3: Konstante Parameter

Tabelle 5.4: Untersuchte Parameter

Tabelle 5.5: Einfluss von NGk/NQk auf den Ausnutzungsgrad

Tabelle 5.6: Lastfallzusammenstellung. Versuchstütze 1

Tabelle 5.7: Versuchsstütze 1 (l = 4 m, d = 45 mm, 4 0 28)

Tabelle 5.8: Versuchsstütze 1 (l = 4 m, d = 55 mm, 4 0 28)

Tabelle 5.9: Versuchsstütze 1 (l = 4 m, d = 45 mm, 8 0 20)

Tabelle 5.10: Versuchsstütze 1 (l = 4 m, d = 55 mm, 8 0 20)

Tabelle 5.11: Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 2 (d = 45 mm)

Tabelle 5.12: Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 2 (d = 45 mm)

Tabelle 5.13: Mittlere Stahltemperatur (oberer Wert für d = 45 mm, unterer Wert für d = 55 mm)

Tabelle 5.14: Lastfallzusammenstellung. Versuchsstütze 3

Tabelle 5.15: Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 3 (d = 45 mm)

Tabelle 5.16: Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 3 (d = 55 mm)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Seit dem 1. Januar 2005 ist die neue DIN 1045-1:2001-07 (DIN 1045-1) die verbindliche Norm für die Bemessung und Konstruktion von Tragwerken aus Stahlbeton. Sie konnte bis Mitte 2004 alternativ zur der alten DIN 1045:1988-07 (DIN 1045) angewendet werden. Nach dem Ablauf der Übergangsfrist wurde die DIN 1045 aus der Bauregelliste gestrichen, woraufhin die Bemessung von Stahlbetonbauteilen ausschließlich nach der DIN 1045-1 durchgeführt werden musste. Die brandschutztechnische Bemessung wurde bisher gemäß DIN 4102-4 geführt, deren Regeln auf dem globalen Sicherheitskonzept der alten DIN 1045 basieren. Aufgrund des neuen Teilsicherheitskonzeptes der DIN 1045-1 können die Regelungen in der DIN 4102-4 nicht unverändert angewandt werden. Dadurch entstanden, vor allem bei dem Nachweis der Feuerwidestandsklassen von Stahlbetonstützen, Übergangsprobleme. Das in der Praxis anerkannte und gewohnte DIN 4102-4-System wurde massiv verändert. Mit der DIN 4102-22 und der DIBt-Richtlinie wurden Verfahren eingeführt, die für den „Normalnutzer“ weitgehend unbekannt sind und deren Anwendung in der Praxis einige Probleme mit sich brachte.

In Europa ist der Prozess der Harmonisierung im Normungsbereich in vollem Gange. Die DIN 4102 wird voraussichtlich 2010 vollständig durch die neuen Eurocodes ersetzt werden. Neben den Nachweisen mittels tabellarischer Daten, die in Deutschland überwiegend angewendet werden, sind in Eurocodes auch vereinfachte und allgemeine Rechenverfahren geregelt. Diese Verfahren waren bisher unüblich. Die bisher verfügbaren Normen lassen die tabellarische Einstufung von Stahlbetonstützen nur in eingeschränkten Grenzen zu. Stahlbetonstützen (z.B. Kragstützen), die in diesem Sinne nicht geregelt sind, können nur anhand genauerer thermisch-mechanischer Berechnungen in eine bestimmte Feuerwiderstandsklasse eingestuft werden. Diese Rechenverfahren basieren auf allgemeinen physikalischen Grundlagen für den Hochtemperaturbereich und sind in der EN 1992-1-2 geregelt. Aufgrund des stark nichtlinearen Charakters der Eingangsparameter gehen die Verfahren der Heißbemessung über die üblichen Bemessungsverfahren für den Kaltzustand hinaus.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es unter anderem, die brandschutztechnischen Bemessungs­verfahren im Einzelnen explizit zu beschreiben und die praktische Anwendung jeweils an einem Beispiel zu demonstrieren.

Dadurch wird zum einen Übersicht verschafft und zum anderen werden die wesentlichen Unterschiede und Abweichungen zwischen den bisherigen und aktuellen tabellarischen Bemessungsverfahren dargestellt. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei den Randbedingungen und Hintergründen der Einschränkungen.

Neben den tabellarischen Verfahren sind die neuen bisher unbekannten Verfahren nach der EN 1992-1-2 zu erläutern und deren Handhabung zu beschreiben. Dabei ist vertieft auf die Trag- und Verformungsverhalten sowie die bauphysikalischen Grundlagen einzugehen.

Im Rahmen der Parameterstudie sind, Stützen in unverschieblichen Systemen mit den beschriebenen Verfahren, hinsichtlich ihrer Feuerwiderstandsklasse zu beurteilen und die ermittelten Ergebnisse gegenüberzustellen. Darüber hinaus, ist ein verschiebliches System (Eulerfall 1) brandschutztechnisch zu untersuchen. Die wesentlichen Einflussparameter sind dabei zu variieren und die daraus gewonnenen Erkenntnisse zu erläutern.

1.3 Gliederung der Arbeit

Nach einer kurzen Einleitung wird im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit der Begriff des Brandschutzes definiert. Nach der Einordnung des vorbeugenden baulichen Brandschutzes wird auf die gesetzlichen Grundlagen eingegangen. Dabei werden die rechtlichen Rahmenbedingungen in Form von Gesetzen und Verordnungen sowie das nationale Klassifizierungssystem nach der DIN 4102 behandelt. Des Weiteren werden die theoretischen Grundlagen des konstruktiven Brandschutzes erläutert. Es werden dabei unter anderem das Materialverhalten und das Systemverhalten von Stahlbetonstützen bei hohen Temperaturen beschrieben.

Im dritten Teil dieser Arbeit wird die brandschutztechnische Bemessung mit tabellarischen Verfahren nach der DIN ausführlich betrachtet. Schwerpunktmäßig wird der Eulerfall 2 behandelt. Die Eulerfälle 3 und 4 werden lediglich qualitativ untersucht. Nach einem Einblick in die geschichtliche Entwicklung des Brandschutzes werden die einzelnen Verfahren beschrieben. Die praktische Anwendung der beschriebenen Verfahren wird anhand von zwei Beispielen detailliert erklärt und es werden die wesentlichen Unterschiede aufgezeigt.

Der vierte Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die Ausarbeitung der brandschutztechnischen Bemessung nach den europäischen Normen. Neben den tabellarischen Verfahren werden die neuen, bisher unbekannten Verfahren nach der EN 1992-1-2 erläutert und deren Anwendungen an einem Beispiel demonstriert. Dabei werden die Hochtemperatureigenschaften von Beton und Stahl beschrieben und es wird ihr zusammenwirkendes Verhalten vertieft erläutert.

Im Anschluss wird eine Parameterstudie durchgeführt. Einführend wird auf die Stützenbemessung unter Normaltemperatur eingegangen und, die zur Kalt- und Heißbemessung verwendeten Computerprogramme, werden beschrieben.

Im ersten Teil der Parameterstudie wird eine Pendelstütze (Eulerfall 2) nach allen in dieser Arbeit aufgeführten Verfahren brandschutztechnisch bemessen. Die für den Brandfall maßgebenden Parameter, werden dabei variiert und die Auswirkungen erläutert. Als Beispiel wird eine Hochbaustütze mit den für die Praxis typischen Abmessungen, Einwirkungen und Bewehrungsgraden festgelegt. Anschließend wird eine Parameterstudie für den Eulerfall 1 mit dem allgemeinen Rechenverfahren nach der EN 1992-1-2 durchgeführt. Die Auswirkungen der wesentlichen Einflussgrößen werden in Hinsicht auf Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in der Brandschutzbemessung beurteilt und aufgezeigt.

2 Grundlagen

2.1 Brandschutz

Jedes Bauwerk ist dem Gefahrenfall „Brand“ ausgesetzt. Aufgabe des Planers ist es, die Grundsätze des Brandschutzes und das jederzeit mögliche Ereignis „Brand“, bereits im Entwurfsstadium zu berücksichtigen. Der Begriff Brandschutz beinhaltet im Allgemeinen alle Maßnahmen zur Vermeidung und zur Minimierung von Brandschäden. Es wird grundsätzlich zwischen abwehrenden und vorbeugenden Brandschutzmaßnahmen unterschieden, jedoch ist die Brandsicherheit, nur als Summe der Beiden vollständig gewährleistet (siehe Abb. 2.1). Die Verminderung einer dieser Maßnahmen muss zwangsläufig eine Erhöhung der Anderen zur Folge haben. Der abwehrende und vorbeugende Brandschutz ist demnach eng miteinander verknüpft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Brandschutzmaßnahmen [Kordina 1999]

Der abwehrende, auch aktiver Brandschutz genannt, ist eine Aufgabe der Feuerwehr. Er tritt nur dann in Erscheinung, wenn der vorbeugende Brandschutz bereits in weiten Teilen versagt hat.

Vorbeugender Brandschutz ist der Überbegriff für alle Maßnahmen, die im voraus die Entstehung, Ausbreitung und Auswirkung von Bränden verhindern bzw. einschränken [Bock /Klement 2002].

Der vorbeugende Brandschutz gliedert sich formal in folgende Teilbereiche:

- baulicher Brandschutz
- anlagentechnischer Brandschutz
- organisatorischer Brandschutz

In der vorliegenden Arbeit wird vorwiegend der vorbeugende bauliche Brandschutz behandelt.

2.2 Brandablauf

Brände sind physikalische Einflüsse extremer Dimensionen, die durch folgende Erscheinungen charakterisiert werden:

- erhöhte Temperaturen
- Flammen
- Rauch und Brandgase

Der Verlauf eines Brandes wird im Wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt:

- Menge und Art der brennbaren Materialien (Brandlast)
- Konzentration und Lagerungsdichte der Brandlast
- Verteilung der Brandlast im Brandraum
- Geometrie des Brandraumes
- Thermische Eigenschaften, insbesondere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapa­zität der Bauteile, die den Brandraum umschließen
- Ventilationsbedingungen, die Sauerstoffzufuhr zum Brandraum steuern
- Löschmaßnahmen

Beim Ablauf eines Brandes sind folgende Phasen hinsichtlich Temperatur und Zeit zu beobachten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Brandphasen [Kordina 1999]

In der Brandentstehungsphase wird zwischen der Zünd- und Schwelbrandphase unterschieden, die nach dem „flash over“ in den voll entwickelten Brand mit Erwärmungs- und Abkühlungsphase übergehen.

„flash over“

Ein explosionsartiger Übergang zum Vollbrand wird als „flash over“ bezeichnet. Durch das kritische Mengenverhältnis des beispielsweise durch das Öffnen einer Tür oder eines Fensters in den Brandraum gelangten Sauerstoffs und einem CO-Gasgemisch kommt es zu einem raschartigen Entflammen. Dies deutet auf Temperaturen in der Größenordnung von 500-600 °C unter der Decke und auf eine Strahlung von 2 W/cm2 in Fußbodenhöhe hin.

Die Zündphase

Ein Brand entsteht, wenn genügend Energie auf ein brennendes Material einwirkt. Durch die Zündquellen wie z.B. eine brennende Zigarette oder ein Kurzschluss und das gleichzeitige Vorhandensein eines brennbaren Stoffes kommt es zur Entzündung. Bei der Zündung wird der physikalisch-chemische Prozess der Verbrennung in Gang gesetzt. Der brennbare Stoff oxydiert, d. h. er reagiert mit Sauerstoff unter Freisetzung von Energie. Neben einer ausreichenden Zündtemperatur muss auch das richtige Mischungs- bzw. Mengenverhältnis von einem brennbaren Stoff und Sauerstoff vorliegen, welches bei festen brennbaren Stoffen z. B. durch die Stapeldichte und bei gasförmigen brennbaren Stoffen z. B. durch die Konzentration des Gases beeinflusst wird.

Die Schwellbrandphase

Nach der Zündung entwickelt sich im Allgemeinen ein Schwellbrand, dessen thermische Energie in Form von Strahlung und Konvektion andere brennbare Stoffe erhitzt und entzündet. In dieser Phase herrscht Sauerstoffmangel, so dass keine vollständige Verbrennung der brennbaren Stoffe stattfinden kann. Es entsteht unter anderem Kohlenmonoxid (CO), ein hochgiftiges brennbares Gas. Die Charakteristik der Schwellbrandphase ist insbesondere von der Luftzufuhr und von Art, Menge und Verteilung der Brandlast abhängig. So ist bei dicht gelagerten Brandlasten eine dauernde Brandentwicklungsphase zu beobachten, während bei Flüssigkeitsbränden die Schwellbrandphase entfällt, da direkt nach dem Zünden ein „flash over“ erfolgt.

Erwärmungsphase

Während der Erwärmungsphase des Vollbrandes werden die umgebenden Bauteile erhitzt. Sie ist somit, als der eigentliche Brandangriff auf das Bauwerk zu betrachten. Bei dieser Phase sind zwei Erscheinungsformen möglich, ein zuluft- und ein brandlastabhängiger Abbrand.

Beim zuluftabhängigen (ventilationsgesteuerten) Brand wird der Brandablauf durch die verfügbare Luftmenge geregelt und ist nicht in entscheidender Weise von der Brandlastmenge abhängig.

Ein brandlastgesteuerter Brand liegt vor, wenn ausreichende Zuluft zur Verfügung steht. Der Brand wird durch Art, Menge und Verteilung der Brandlasten bestimmt.

Abkühlungsphase

Sobald die Energiemenge des abbrennenden Materials für eine Steigerung oder Aufrechterhaltung der Brandtemperatur nicht mehr ausreicht, kommt es zu der Abkühlphase [Mehlhorn 1997].

2.3 Gesetzliche Grundlagen

In Deutschland werden im Rahmen des Baugenehmigungsverfahrens Anforderungen an den vorbeugenden baulichen Brandschutz von Gebäuden gestellt. Die rechtliche Grundlage bilden die entsprechenden Landesbauordnungen (LBO) der Bundesländer, welche in Anlehnung an die Musterbauordnung (MBO) entstanden sind. Die MBO bildet eine Grundlage für die gesetzlichen Regelungen der Bauordnungen in den Ländern und sichert den formalen Aufbau aller Landesbauordnungen. Die MBO ist nicht rechtsverbindlich, die Bundesländer sind aber gehalten sie weitestgehend in ihre Landesbauordnungen zu übernehmen.

Gemäß der Verpflichtung dafür zu sorgen, dass „die öffentliche Sicherheit oder Ordnung, insbesondere Leben und Gesundheit nicht bedroht werden" (§ 3 MBO) regelt § 17 der Musterbauordnung entsprechend:

„Bauliche Anlagen sind so anzuordnen und zu errichten, dass der Entstehung und Ausbreitung von Schadenfeuer im Interesse der Abwendung von Gefahren für Leben und Gesundheit von Menschen und Tieren vorgebeugt wird und bei einem Brand wirksame Löscharbeiten und die Rettung von Menschen und Tieren möglich sind."

Anforderungen an den Schutz von Sachwerten (Gebäude und Inventar) sind im öffentlichen Baurecht nicht geregelt. Allenfalls wird der Schutz von Sachwerten indirekt über die gesetzlichen Vorschriften mit abgedeckt. Seitens der Versicherungs­unternehmen können daher zusätzliche Forderungen an den Feuerwiderstand von Bauteilen bzw. an organisatorische und abwehrende Brandschutzmaßnahmen gestellt werden [Reik 2006].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Übersicht der bauaufsichtlichen Brandschutz-Forderung

Die jeweils gültige Landesbauordnung ist die wichtigste Vorschrift. Die Vorschriften der LBO gelten auch dann, wenn bei der Errichtung baulicher Anlagen in der Baugenehmigung nicht auf die Beachtung hingewiesen wird. An der Entstehung der LBO ist die Arbeitsgemeinschaft der für Bau-, Wohnungs- und Siedlungswesen (ARGEBAU) zuständigen Minister der Länder maßgebend beteiligt.

Für „Bauliche Anlagen normaler Art oder Nutzung“ stellt die Landesbauordnung Einzelanforderungen an das Brandverhalten von Bauteilen und Baustoffen in Abhängigkeit von den Gebäudeklassen (siehe Tab. 2.1).

Mit den in Tabelle 2.1 aufgeführten Gebäudeklassen lässt sich das vielfältige Baugeschehen in anderen Bereichen nicht hinreichend erfassen. Bauliche Anlagen mit speziellen Nutzungen oder besonderem Gefahrenpotential werden als „Bauliche Anlagen und Räume besonderer Art und Nutzung“ (siehe Abb. 2.3) bezeichnet und sind in § 51 der MBO als Sonderbauten geregelt.

Tabelle 2.1: Gebäudeklassen nach Landesbauordnung [LBO 2002]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Erlass von Rechtsverordnungen werden die allgemeinen Anforderungen der LBO detailliert beschrieben. Diese lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen:

- Durchführungsverordnungen
- Sonderbauverordnungen

Die Bauvorlagenverordnung und die allgemeine Durchführungsverordnung gehören zu den wichtigsten Durchführungsverordnungen. In der Bauvorlagenverordnung wird festgelegt, welche Unterlagen und in welcher Form einem Antrag auf Erteilung einer Baugenehmigung als Bauvorlage beizufügen sind. Die Allgemeine Durchführungs­verordnung konkretisiert einzelne Bestimmungen der Bauordnung.

In den Sonderbauverordnungen sind bestimmte bauliche Anlagen besonderer Art und Nutzung behandelt, um für ihre Beurteilung einheitliche Kriterien und Maßstäbe zu haben [Bergmeister 2003].

Die Landesbauordnungen und Verordnungen werden durch Technische Baubestimmungen (siehe Kap. 2.4) und Verwaltungsvorschriften ergänzt.

Die oben beschriebenen gesetzlichen Anforderungen sind nicht direkt als Gegenstand dieser Arbeit, jedoch als ein wichtiger Bestandteil des Gesamtkonzepts anzusehen. Aus diesem Grund werden diese im Weiteren nicht näher erläutert.

Ein besonderes Augenmerk wird den Technischen Baubestimmungen gewidmet, da sie in direkter Verbindung mit dem Kern der vorliegenden Arbeit stehen. Im folgenden Kapitel wird auf die DIN-Normen, die im Zusammenhang mit der brandschutz­technischen Bemessung von Stahlbetonstützen stehen, näher eingegangen. Die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen nach dem deutschen Normenwerk ist im dritten Teil dieser Arbeit vertieft erläutert.

2.4 Technische Baubestimmungen

2.4.1 Allgemeines

Eingeführte Technische Baubestimmungen (TB) sind technische Regeln, die von den Obersten Bauaufsichtsbehörden der einzelnen Bundesländer bauordnungsrechtlich durch öffentliche Bekanntmachung eingeführt sind. Als Technische Baubestimmungen werden nur diejenigen technischen Regeln eingeführt, die zur Erfüllung der Anforderungen des Bauordnungsrechts unerlässlich sind. Die Liste der Technischen Baubestimmungen (LTB) wird vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) erarbeitet. Das DIBt hat die Aufgabe, im Auftrag der Länder die Einführung der LTB vorzubereiten. Die LTB enthält technische Regeln für die Planung, Bemessung und Konstruktion baulicher Anlagen und ihrer Teile.

Vor 70 Jahren bestand die deutsche Brandschutznorm DIN 4102 in ihrer ersten Fassung aus knapp vier Seiten. Seitdem ist die Norm auf über 150 Seiten angewachsen, wobei sie zurzeit aus 23 Teilen besteht und ständig weiter wächst. Dennoch ist mit DIN 4102 erst die Hälfte des geregelten konstruktiven Brandschutzes beschrieben. Seit Mitte der 90er Jahre gibt es in Deutschland die Brandschutzteile der Eurocodes (EC) in Verbindung mit dem jeweiligen Nationalen Anwendungsdokument (NAD) [VDI 2006]. Die brandschutztechnische Bemessung nach Eurocodes wird in Teil 4 dieser Arbeit ausführlich behandelt.

Die Entscheidung, nach welcher Norm die brandschutztechnische Bemessung vorgenommen wird, hängt von den Bemessungsnormen ab, die für die Gebrauchs­lastfälle verwendet wurden. Die Bemessungsregeln für die Gebrauchslastfälle und den Brandschutz müssen aus der gleichen Normenfamilie (DIN oder Eurocode) kommen, um ein Mischverbot zu vermeiden [Hosser 2006].

Tabelle 2.2: Aktuelle Normen für Beton und Stahlbeton

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.2 Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102

Die Leistungsfähigkeit von Baustoffen und Bauteilen im Brandfall wird durch ein genormtes Klassifizierungssystem definiert. DIN 4102 „Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen“ enthält alle Vorgaben für die erforderlichen Prüfungen bzw. Beurteilungen sowie die Klasseneinteilung.

Für die Betonbauweise sind im wesentlichen die in Tabelle 2.3 angegebenen Normteile der DIN 4102 von Bedeutung. Die Normteile 1 und 2 legen fest, wie Baustoffe und bestimmte Bauteile zu prüfen sind, damit sie je nach Brennbarkeit den einzelnen Baustoffklassen sowie in Abhängigkeit von der erreichten Feuerwiderstandsdauer den entsprechenden Feuerwiderstandsklassen zugeordnet werden können. Der für die Praxis wichtige Normteil ist DIN 4102-4. Darin ist katalogartig aufgelistet, welcher Baustoff- bzw. Bauteilklasse die verschieden genormten Baustoffe angehören. Für die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen ist ebenfalls Teil 4 der DIN 4102 maßgebend. Die darin genormten tabellarischen Verfahren zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen sind im dritten Teil dieser Arbeit ausführlich erörtert. Zu beachten ist, dass die DIN 4102-4 nur in Verbindung mit der DIN 4102-22 und DIN 4102-4/A1 anzuwenden ist. Die Anwendungsnorm DIN 4102-22 sichert die Anwendbarkeit der DIN 4102-4, auch nach der Bearbeitung der nationalen Bemessungsnormen auf der Basis von Teilsicherheitsbeiwerten. Die DIN 4102-4/A1 beinhaltet Ergänzungen, die durch die zwischenzeitlichen Änderungen der nationalen Produktbemessungsnormen entstanden sind.

Tabelle 2.3: Maßgebende Normteile der DIN 4102 für die Betonbauweise

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die einheitlichen Prüfverfahren für Baustoffe sind in der DIN 4102-1 festgelegt. Entsprechend ihres Brandverhaltens werden Baustoffe in Baustoffklassen unterteilt. In DIN 4102-4, Abschnitt 2 sind die Baustoffe aufgeführt, die direkt einer Baustoffklasse zugeordnet werden können. Stahlbeton erhält demnach die Baustoffklasse A1 und ist somit als „nicht brennbar“ einzustufen (siehe Abb. 2.4). Für das Brandverhalten der sonstigen Baustoffe ist ein Verwendbarkeitsnachweis erforderlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102

Das Brandverhalten von Bauteilen wird im wesentlichen durch die Feuerwiderstands­dauer gekennzeichnet. Mit Beton lässt sich jede Feuerwiderstandsdauer erreichen (F 30 bis F 180). Aus Gründen der Standsicherheit, oder der für den Schallschutz erforderlichen Maßnahmen, stellt sich meistens automatisch eine Feuerwiderstands­dauer von mindestens F 30 ein.

Die Feuerwiderstandsdauer ist die Mindestdauer in Minuten, während der ein Bauteil die Prüfanforderungen der DIN 4102-2 erfüllt, ohne seine Tragfähigkeit zu verlieren. Die Bauteile sind entsprechend der in der Prüfung erreichten Feuerwiderstandsdauer nach der Einheitstemperatur-Zeitkurve (ETK) in Feuerwiderstandsklassen eingeteilt (siehe Abb. 2.5).

Die ETK definiert die einheitlichen und reproduzierbaren Prüf- und Beurteilungsgrundlagen. Der Temperaturanstieg im Brandraum als Funktion der Versuchszeit ist damit für Normbrandversuche festgelegt. Die Abkühlphase ist nicht definiert, da baurechtlich keine Anforderungen zu diesem Zeitpunkt mehr gestellt werden. Die ETK simuliert, unabhängig von Größe und Geometrie des Brandraums, der Brandlasten und der Ventilationsverhältnisse, den voll entwickelten Brand.

Diese Temperaturzeitkurve wird in vielen Ländern für Brandprüfungen an Bauteilen herangezogen und ist auch für Deutschland in DIN 4102-2 festgelegt [Zehfuß 2004].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Einheits-Temperaturzeitkurve nach DIN 4102-2

Die ETK beruht auf Brandversuchen mit Holz und Zellulose. Es ist anzumerken, dass die ETK einen realen Brand nur angenähert beschreiben kann. Die Temperaturzeit­kurven unterscheiden sich teilweise erheblich in der Höhe der Temperatur und der Dauer des Brandes [Weber 2004]. In dieser Arbeit wird jedoch stets die ETK als Berechnungsgrundlage zu Grunde gelegt.

Zur weiteren Einstufung erhalten die Bauteile eine Zusatzbezeichnung zur Feuerwiderstandsklasse entsprechend dem Brandverhalten ihrer Baustoffe. Die Bauteile, die im Katalog der DIN 4102-4 aufgeführt sind, können direkt einer Feuerwiderstandsklasse zugeordnet werden. Zur Beurteilung des Brandverhaltens der sonstigen Bauteile ist eine Prüfung nach DIN 4102-2 erforderlich.

Die Tabelle 2.2 zeigt die Verknüpfung der Baustoff- und Bauteilanforderungen der Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102 mit den bauordnungsrechtlichen Anforderungen nach MBO.

Tabelle 2.4: Zuordnung der Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102 zu den bau­ ordnungsrechtlichen Anforderungen nach MBO

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Feuerwiderstandsdauer von Bauteilen ist laut DIN 4102-4 Abs. 1.2.1 von folgenden Einflussgrößen abhängig und gilt nur unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen:

- Brandbeanspruchung
- Verwendeter Baustoff oder Baustoffverbund
- Bauliche Ausbildung
- Statisches System
- Ausnutzungsgrad

So sind beispielsweise Stahlbetonstützen in verschieblichen Systemen, wie Kragstützen oder Stützen verschieblicher Rahmen nicht nach DIN 4102, Teil 4 in Feuerwiderstandsklassen einzustufen (siehe Teil 4).

Des Weiteren wird zur Klassifizierung der Einzelbauteile in DIN 4102-4, Abschnitt 1.3 vorausgesetzt, dass die anschließenden Bauteile der Gesamtkonstruktion mindestens in derselben Feuerwiderstandsklasse ausgeführt werden.

2.5 Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonstützen

2.5.1 Allgemeines

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.

Die schützende Betonüberdeckung darf aus diesem Grund nicht abplatzen. Das Freiliegen der Bewehrung hätte bei Temperaturen über 500 °C einen fast unmittelbaren Verlust ihrer Funktion als mittragendes Element zur Folge.

2.5.2 Abplatzverhalten

Abplatzungen sind Betonabsprengungen infolge einer Brandbeanspruchung. Es wird zwischen drei Arten von Abplatzungen unterschieden (siehe Tab. 2.5). Abplatzungen gelten als zerstörend, wenn sie eine Verminderung des Querschnitts und je nach Tiefe ein Freilegen der Bewehrung bewirken. Hierdurch kann ein frühzeitiges Versagen der Tragfähigkeit eintreten. Als wesentliche Einflussparameter für das Abplatzverhalten gelten:

- Bauteildicke
- Höhe der Druckspannung
- Betonfeuchtegehalt
- Bewehrungsanordnung

Die Abplatzungen begründen sich im Verdunsten des kapillar gebundenen Restwassers im Beton und sind damit abhängig vom Feuchtegehalt. Explosionsartige Abplatzungen sind nur bei Feuchtegehalten größer als 2 Massenprozent zu erwarten, was dem Regelfall entspricht. Der dabei entstehende Dampfdruck lässt Zugspannungen im Beton entstehen. Wenn diese die Betonzugfestigkeit überschreiten, kommt es zum explosionsartigen Abplatzen der äußeren Betonschichten. Eine weitere Ursache die ebenfalls zu Abplatzungen führt, ist der Dehnungsunterschied bei hohen Temperaturen zwischen Zuschlag und Zementmatrix oder innerhalb inhomogener Zuschläge.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Abplatzungen bei einer Stütze nach einer Brandeinwirkung

Tabelle 2.5: Arten, Ursachen und Wirkungen von Abplatzungen bei normalfestem Beton

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hinsichtlich der notwendigen Maßnahmen zur Vermeidung von zerstörenden Abplatzungen, die ein Versagen verursachen, ist zwischen Normalbetonen (C 20/25 bis C 50/60), hochfesten Betonen und Leichtbetonen zu unterscheiden. Bei Bauteilen, die aus Normalbeton hergestellt werden, reicht eine brandschutztechnische Bemessung nach DIN 4102-4 aus, um zerstörende Abplatzungen zu vermeiden. Dies gilt auch für Bauteile aus hochfestem Beton. Allerdings sind bei Stützen aus hochfestem Beton besondere Maßnahmen erforderlich. Diesem müssen entweder Kunststofffasern zugegeben werden, die bei >100 °C schmelzen und dadurch Kanäle zur Wasserdampfentspannung bilden, oder es ist eine oberflächennahe Schutzbewehrung anzuordnen, die zur Sicherung der Betondeckung für die statisch notwendige Bewehrung dient. Bei Leichtbetonen mit haufwerksporigem Gefüge und bei Porenbetonen treten aufgrund ihrer Porenstruktur keine Abplatzungen im Brandfall auf. Im Allgemeinen können Stahlbetonbauteile, die während eines Brandes im oberflächennahen Bereich durch Abplatzungen geschädigt wurden, z. B. mit Spritzbeton instand gesetzt werden.

2.5.3 Hochtemperaturverhalten von Beton und Stahl

Das Verhalten der Werkstoffe Beton und Stahl bei den im Brandfall erhöhten Temperaturen ist sehr komplex.

Die ertragbaren Festigkeiten, insbesondere die Fließgrenze des Stahles, sowie die Druck- und Zugfestigkeit des Betons nehmen mit zunehmender Temperatur deutlich ab.

Nachfolgend werden die wichtigsten Stahl- und Betoneigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur behandelt. Die detaillierten Angaben zu thermischen und mechanischen Eigenschaften für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen sind im vierten Teil beschrieben.

Die mechanischen Eigenschaften von Beton bei erhöhten Temperaturen sind von mehreren Faktoren abhängig. Dabei hängt das Materialverhalten stark von der Betonzusammensetzung ab. Hierbei spielt die Art der verwendeten Zuschläge, der Feuchtegehalt und die Dichtigkeit des Betongefüges eine große Rolle. Einen wesentlichen Einfluss haben das Verhalten des Bindemittels und dessen Verbundeigenschaften zu den Zuschlagstoffen. Der Zementstein erfährt mit zunehmender Temperatur zum einen Festigkeitsverluste und zum anderen Schwindverformungen. Das führt zur Auflockerung und Zerstörung des Verbundes zwischen Zementstein und Zuschlag durch Rissbildung. Somit zeigt Beton bei Erwärmung Veränderungen in der Makro- und Mikrostruktur, die zu einem Abfall der Betondruckfestigkeit und einer Erhöhung seiner Verformbarkeit führen.

Normalbeton kann die Temperaturen bis ca. 250°C (Schwellbrandbeanspruchung) hinsichtlich seiner Druckfestigkeit ohne wesentliche Beeinträchtigungen ertragen. Erst bei Temperaturen von etwa 500°C setzen sich starke Stauchungen ein, die bei ca. 700-800°C zum Bruch führen (siehe Abb. 2.7).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Temperaturabhängiger Spannungs-Dehnungs-Verlauf für Normalbe­ ton [Werner 2006]

Aus der Sicht des Bautechnischen Brandschutzes übernimmt der Beton bei Stahlbeton die Schutzfunktion für die Bewehrung und ist somit das bestimmende Element der be­anspruchten Stahlbetonstütze.

Die hohe Leistungsfähigkeit von Beton gegenüber einer Brandbeanspruchung lässt sich mit folgenden Eigenschaften beschreiben. Bei den im natürlichen Brand eintretenden Temperaturen von bis zu 1.000 °C:

- bleibt Beton weitgehend fest,
- trägt nicht zur Brandlast bei,
- leitet den Brand nicht weiter,
- bildet keinen Rauch,
- setzt keine toxischen Gase frei.

Stahl ist in Bezug auf seine Temperatureigenschaften immer skeptisch zu betrachten, da er seine Festigkeit rasch verliert und eine thermische Längenänderung erfährt. Die kritische Temperatur von Stahl beträgt ca. 500 °C. Dabei sinken die Werte für Streckgrenze und Zugfestigkeit auf 50% bis 60% im Vergleich zu denen der Normaltemperatur. Gemäß ETK sind Temperaturen von 400 °C schon nach etwa 2 Minuten erreicht. Überspitzt formuliert ist ungeschützter Stahl aus der Sicht des bautechnischen Brandschutzes eines der schlechtesten Materialien [Werner 2004]. Abbildung 2.6 zeigt das Fließverhalten in Abhängigkeit der Temperaturbeanspruchung als bezogene Streckgrenze von Baustählen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Relative Strackgrenze von Baustählen bei Temperaturerhöhung [Kordina 1999]

Kommt es zum durch den Brandangriff ausgelösten Festigkeitsverlust von Stahl im Stützenquerschnitt, muss sich der ursprünglich von der Bewehrung aufgenommene Stützenlastanteil weitgehend auf den Beton umlagern. Mit zunehmendem zur Erhöhung der zulässigen Stützenbelastung erforderlichem Bewehrungsgehalt ist diese Umlagerung größer. Diese Umlagerung führt zu einer Überlastung des in den Stützenrandbereichen durch Temperaturerhöhung geschwächten Betons, wodurch ein vorzeitiges Versagen ausgelöst werden kann. Besonders ungünstig ist dabei eine in den Querschnittsecken konzentrierte Bewehrung, da dort die Erwärmung am schnellsten vorschreitet (siehe Abb. 2.10). Gleichmäßig an den Stützenrändern verteilte Bewehrung verzögert den Effekt.

Eine solche Bewehrungsanordnung ist auch eher in der Lage Zugkräfte aufzunehmen, wenn die Momente aus der Theorie 2.Ordnung so großen Einfluss gewinnen, dass auf einer Stützenseite Biegezugspannungen auftreten [Lutz 1997]. Der Einfluss der Bewehrungslage bzw. Verteilung im Querschnitt wird unter anderem im Rahmen der Parameterstudie (siehe Teil 5) untersucht.

Momente aus Theorie 2.Ordnung sind von größerer Bedeutung als bei „kalten“ Systemen. Das liegt an der großen Verformungsfreudigkeit des Betons unter erhöhter Temperatur. Dabei werden beträchtliche seitliche Auslenkungen der Stützen infolge Lastausmitten erzeugt.

Die temperaturabhängige Längenänderung von Beton ist bis etwa 400 °C mit der vom Stahl vergleichbar. Da die Unterschiede bei Normaltemperatur gering sind (vgl. Abb. 2.9), funktioniert das System „Stahlbeton“ ohne größere Eigenspannungen und innere Risse bei Temperaturwechsel. Bei höheren Temperaturen werden die Unterschiede größer und es entstehen innere Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen, die dann zu erheblichen inneren Spannungen führen. Für die typische Temperaturbeanspruchung nach ETK (ca. 1000 °C in 90 Min.) ist es notwendig den Verbund von Stahl und Beton durch eine ausreichende Betonüberdeckung zu sichern. Die kritische Stahltemperatur ist im Bemessungszeitraum von der Grenze Beton-Stahl möglichst fernzuhalten [Werner 2006].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9: Temperaturabhängige Längenänderung von Beton und Stahl [Mehlhorn 1997]

2.5.4 Temperaturverteilung im Querschnitt

Wichtigste Voraussetzung für die Beurteilung des Verhaltens von Stahlbetonstützen bei Brandbeanspruchung ist die Kenntnis der Temperaturverteilung im Querschnitt.

In der vorliegenden Arbeit wird ausschließlich der ungünstigste Fall (Regelfall), die vierseitige Brandbeanspruchung behandelt.

Entscheidend für das Erreichen der geforderten Feuerwiderstandsdauer ist es, die Durchwärmung des Querschnitts so zu verzögern, dass die Temperatur am Bewehrungsstahl vor Ablauf dieser Frist die kritische Stahltemperatur nicht übersteigt. Eine ausreichende Betondeckung bewirkt den notwendigen Erwärmungsschutz. Für die verschiedenen Feuerwiderstandsklassen sind die notwendigen Querschnitts­abmessungen, wie Mindestdicke und die erforderliche Betondeckung für Stahlbetonstützen in DIN 4102-22, Tabelle 31 angegeben.

Aus der Abbildung 2.10 ist es zu erkennen, dass bis zu einer Branddauer von 60 Minuten nur in der Betondeckung Temperaturen herrschen, die zum deutlichen Abfall der Betonfestigkeit führen. Bei längerer Brandeinwirkung verlieren sowohl der Beton in den inneren Bereichen als auch der Betonstahl zunehmend die Festigkeit und der Bauteilwiderstand der Stütze sinkt deutlich. Bei Feuerwiderstandsklassen < R 120 wird der Brandschutznachweis für die Bauteilabmessungen und die Bewehrungsmenge maßgebend [Avak 2007/1].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10: Temperaturfelder im Stützenquerschnitt [Avak 2007/1]

Die Geschwindigkeit der Erwärmung ist wesentlich vom Verhältnis der beflammten Oberfläche zum Bauteilvolumen (Profilfaktor) abhängig. Der Bauteilwiderstand ist bei Brandeinwirkung eine Funktion der Zeit Rd(t), die infolge der temperaturbedingten Entfestigung sinkt (siehe Abb. 2.11). Die Brandeinwirkung ist auch eine Funktion der Zeit EAdjfi(t), die infolge der Brandausbreitung und Temperaturerhöhung steigt.

Der Schnittpunkt dieser Funktionen beschreibt das rechnerische Versagen bei einem Brandangriff.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.11: Temperatur- und zeitabhängige Einwirkungen und Widerstände im Brandfall [Avak 2007/1]

3 Brandschutzbemessung nach DIN

3.1 Geschichtlicher Abriss

Im Sommer 2001 wurde die neue DIN 1045-1 bauaufsichtlich eingeführt. Eine alternative Bemessung von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen mit der alten DIN 1045 war während der Übergangszeit jedoch erlaubt. Ab Mitte 2004 wurde die alte DIN 1045 aus der Musterliste der Technischen Baubestimmungen (MLTB) gestrichen und seitdem muss die Bemessung für Gebrauchslastfälle ausschließlich nach DIN 1045-1 durchgeführt werden. Diese Ablösung führte auch zu Änderungen bei der brandschutztechnischen Bemessung. Insbesondere gab es Übergangsprobleme bei dem Nachweis der Feuerwiderstandsdauer von Stahlbetonstützen.

Der Nachweis des konstruktiven Brandschutzes, deren Regeln auf dem globalen Sicherheitskonzept der alten DIN 1045 basieren, wurde bisher gemäß DIN 4102-4 geführt. Aufgrund des neuen Sicherheitskonzeptes (semiprobabilistisches Teilsicherheitskonzept) der DIN 1045-1 können die Regelungen in DIN 4102-4 nicht unverändert angewendet werden. Aus diesem Grund ergab sich kurzfristig die Notwendigkeit eine Übergangsregelung zu erstellen, um die brandschutztechnische Bemessung nach DIN 4102-4 und die Bemessung für Gebrauchslastfälle aufeinander abzustimmen (siehe Kap. 3.4).

Die einzelnen Etappen sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich. In diesem Teil der Arbeit werden die Verfahren vorgestellt und jeweils an einem Beispiel erläutert.

Tabelle 3.1: Bisherige Entwicklung der tabellarischen Brandschutzbemessung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2 Bemessung nach DIN 4102-4

Wie in Kapitel 3.1 beschrieben, ist die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen aus Normalbeton (B 15 bis B 55), die im Kaltzustand nach dem alten Normenwerk DIN 1045 bemessen wurden, nach DIN 4102-4 durchzuführen. Stützen aus hochfestem Beton (bis C100/115) sind in der DIN 4102-4/A1 geregelt. Der Nachweis der Feuerwiderstandsdauer erfolgt über die Tabelle 31 aus DIN 4102-4 (siehe Tab. 3.2). Die Werte der Tabelle 31 sind durch Brandversuche ermittelt und durch theoretische Untersuchungen abgesichert. Für die theoretischen Untersuchungen und für die Brandversuche wurde die zulässige Beanspruchung nach DIN 1045 ermittelt. Tabelle 31 enthält in Abhängigkeit von dem Ausnutzungsfaktor a1 = 0,3 bis a1 = 1,0 die Mindestdicken für die Feuerwiderstandsklassen von F 30 bis F 180. Der Ausnutzungsfaktor a1 ist als Verhältnis der vorhandenen Beanspruchung zu der zulässigen Beanspruchung (1/y-fache rechnerische Bruchlast) nach DIN 1045 definiert [Hosser 2005]. Der somit maßgebliche Eingangsparameter bei der Anwendung der Tabelle 31 ist in DIN 4102-4, Abschnitt 3.13.2.2 wie folgt definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mindestachsabstand ist der kleinste Abstand der Bewehrung zur beflammten Bauteiloberfläche. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Stahl wird angenommen, dass die Oberflächentemperatur eines in dem Beton liegenden Bewehrungsstabes gleich der in der Achse ist (siehe Abb. 3.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Achsabstand der Bewehrung [Kordina 1999]

Aus diesem Grund wird bei der Brandschutzbemessung der Mindestachsenabstand u anstelle der Betondeckung cnom verwendet und ist wie folgt zu berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Tabelle 31 darf zwischen den angegebenen Werten linear interpoliert werden.

Für die Anwendung von Tabelle 31 müssen nach DIN 4102-4 folgende Rand­bedingungen erfüllt sein:

- Der Ausnutzungsfaktor a1 ist als Verhältnis der vorhandenen zu der zulässigen Beanspruchung zu bestimmen. Bei planmäßig ausmittiger Beanspruchung ist für die Ermittlung von a1 von einer konstanten Ausmitte auszugehen.
- Als Knicklänge der Stütze zur Bestimmung der zulässigen Beanspruchung ist die Knicklänge bei Raumtemparatur, jedoch mindestens die Stützenlänge anzunehmen.
- Das Gebäude muss ausgesteift sein und die Stützenenden müssen, wie in der Praxis üblich, rotationsbehindert gelagert sein. Tabelle 31 darf nicht angewendet werden, wenn die Stützen konstruktiv als Gelenk (z.B. Auflagerung auf einer Zentrierleiste) ausgebildet sind.

Bei Einhaltung der Randbedingungen und der Tabellenwerte kann ohne näheren Nachweis davon ausgegangen werden, dass die Stahlbetonstützen bei einem Brand über die bauaufsichtlich geforderte Feuerwiderstandsdauer trag- und funktionsfähig bleiben. Bei Abweichungen von den genormten Anwendungsgrenzen und Tabellenwer­ten ist ein Brandversuch nach DIN 4102-2 erforderlich.

Wegen der Anbindung an die Kaltbemessung nach der alten DIN 1045 war die Heiß­bemessung nach DIN 4102-4 mit Tabelle 31 nur bis zum 31.12.2004 zulässig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Tabelle 31. Mindestdicke und Mindestachsabstände der Stützen aus Normalbeton [DIN 4102-4]

3.3 DIBt-Richtlinie als Übergangslösung

Bei der bauaufsichtlichen Einführung des neuen Normenwerks im Betonbau DIN 1045­1 und gleichzeitiger Streichung der ENV-Fassung des EC2 aus der Liste der Technischen Baubestimmungen war die Anwendungsnorm für brandschutztechnische Bemessung DIN 4102-22 noch nicht bauaufsichtlich eingeführt. Wegen dem Zeitaufwand und der Gefährdung von bauaufsichtlicher Einführung der DIN 1045-1 kam eine Einpassung der DIN 4102-4 an die DIN 1045-1 nicht in Frage. Für eine kurzfristige Lösung wurde von dem Deutschen Institut für Bautechnik der Brandschutzteil des EC 2, die DIN V ENV 1992-1-2 in Verbindung mit dem Nationalen Anwendungsdokument in Betracht gezogen, der zwei wesentliche Vorteile mit sich brachte. Zum einen war DIN V ENV 1992-1-2 weiterhin baurechtlich eingeführt und zum anderen basiert das Sicherheitskonzept der Grundnorm auf Teilsicherheits- beiwerten und stimmt mit dem Sicherheitskonzept der DIN 1045-1 weitgehend überein.

Die Anwendung von DIN V ENV 1992-1-2 über das Nationale Anwendungsdokument war jedoch nur im Zusammenhang mit der entsprechenden Grundnorm zulässig. Durch eine gleichzeitige bauaufsichtliche Einführung des Nationalen Anwendungs­dokumentes in Form einer „DIBt-Richtlinie zur Anwendung von DIN V ENV 1992-1-2 in Verbindung mit DIN 1045-1“ mit der DIN 1045-1, wurde dieses Problem gelöst [Richter 2006]. Die Anwendung dieses Verfahrens für Stahlbetonstützen wird im Folgenden vorgestellt und anhand eines Beispiels (siehe Kap. 3.6.2 und 3.6.7) erläutert.

Nach DIN V ENV 1992-1-2 dürfen folgende Nachweisverfahren angewendet werden:

- Nachweise mit tabellarischen Daten
- Vereinfachtes Rechenverfahren
- Allgemeines Rechenverfahren

Die Anwendungsrichtlinie des DIBt erlaubt jedoch nicht die Anwendung des vereinfachten und allgemeinen Rechenverfahrens in Deutschland, so dass die Tragwerksbemessung im Brandfall ausschließlich mit tabellarischen Daten anzuwenden ist. Dabei sind folgende Randbedingungen zu beachten:

- Die in Tabelle 4.1 angegebene Mindestquerschnittabmessung gelten unter der Voraussetzung, dass die Stütze im Gebrauslastfall bei Normaltemperatur unter Annahme einer beidseitig gelenkigen Lagerung bemessen wurde, und im Brandfall sich eine beidseitige Rotationsbehinderung einstellen kann. Diese Annahme gilt nur, wenn die Stützenenden nicht konstruktiv als Gelenk ausgebildet werden, indem sie z.B. auf einer Zentrierleiste auflagern.
- Als wirksame Stützenlänge muss für die brandschutztechnische Bemessung die vorhandene Stützenlänge l col nach DIN 1045-1, Abs.

3.2.6 angesetzt werden.

Das tabellarische Verfahren entspricht dem bisher üblichen Nachweisverfahren nach DIN 4102-4 (siehe Kap. 3.2). In Abhängigkeit von der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer und der Ausnutzung der Stütze werden für den Querschnitt Mindestwerte der Bauteilabmessungen und Achsabstände der Bewehrung angegeben. Die Tabellenwerte wurden im Wesentlichen aus DIN 4102-4 übernommen, wo sie durch Brandversuche und theoretische Untersuchungen abgesichert waren. In der Vorbemerkung der DIBt-Richtlinie ist ihr Geltungsbereich für Normalbeton bis zur Festigkeitsklasse C 60/75 definiert. Damit werden die Anwendungsgrenzen gegenüber DIN V ENV 1992-1-2 mit dem NAD (bis C 50/55) erweitert.

Die alte Tabelle 4.1 (siehe Abb. 3.3) aus der DIN V ENV 1992-1-2 wurde in der DIBt- Richtlinie an die DIN 1045-1 angepasst. In der neuen Tabelle 4.1 (siehe Abb. 3.4) werden die Bezeichnungen für die FWK „R“ durch die Bezeichnung „F“ ersetz, die FWK R 240 gestrichen und es wird auf die DIN 1045-1 verwiesen. In der Tabelle 4.1 darf ebenfalls zwischen den angegebenen Werten linear interpoliert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Tabelle 4.1. Mindestdicken und Mindestachsabstände von Stahlbe­ tonstützen aus Normalbeton [DIN V ENV 1992-1-2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Tabelle 4.1. Mindestdicken und Mindestachsenabstände von Stahlbe­ tonstützen aus Normalbeton [DIBt-Richtlinie]

Für die Brandversuche wurde die zulässige Beanspruchung nach DIN 1045 mit dem Rechenwert der Betondruckfestigkeit ßR ermittelt. Dieser Wert war relativ zur Würfelfestigkeit ßM für die Betonfestigkeitsklassen B 35 bis B 55 zunehmend um bis zu 22 % gegenüber den Betonfestigkeitsklassen B 25 abzumindern. In Gegensatz dazu wird der Bemessungswert der Betondruckfestigkeit nach DIN 1045-1 fcd = α x fck / yc für alle Betonfestigkeitsklassen bis C 50/60 einheitlich mit γ = 1,5 festgesetzt. Entsprechend ergeben sich nach DIN 1045-1 für höhere Betonfestigkeiten größere Querschnitttragfähigkeiten im Vergleich zu DIN 1045. Demnach wird die im Brandfall vorhandene Belastung bei der Bemessung nach DIN 1045-1 größer als bei der Bemessung nach DIN 1045 [Hosser/Richter 2002]. Die oben beschriebene Problematik betrifft auch das so genannte „a*-Verfahren“ nach DIN 4102-22, welches im Kapitel 3.4.2 behandelt wird.

Die höhere Belastung nach DIN 1045-1 im Vergleich zur DIN 1045 wird in der DIBt- Richtlinie durch eine Begrenzung des Lastausnutzungsfaktors auf üfi < 0,4 berücksichtigt.

Der Ausnutzungsgrad μβ ist wie folgt zu bestimmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Bemessungswert Ed,fi ist gemäß DIN V ENV 1992-1-2 über einen Abminderungs­faktor Hf¡ aus dem Bemessungswert der Einwirkungen bei Normaltemperatur Ed zu bestimmen, der im Wesentlichen vom Verhältnis der veränderlichen Einwirkungen zu den ständigen Einwirkungen abhängt (ξ = Qk1/Gk ):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Bemessung von schlanken Stützen (Theorie 2.Ordnung) ergibt sich gemäß [Graubner 2005] folgende Vorgehensweise.

Bestimmung der bezogenen Schnittgrößen nach Theorie 2. Ordnung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Berechnung des mechanischen Bewehrungsgrades:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Interaktionsdiagramm für symmetrisch bewehrte Querschnitte (siehe Abb. 3.2) liefert der Schnittpunkt der Geraden durch den Koordinatenursprung und den Bemessungspunkten vEd,fi und nEd,fi mit der Linie für ^ot,k die aufnehmbare Normalkraft VRd,fi(0) zum Zeitpunkt t = 0.

Aus den Ergebnissen wird direkt der Ausnutzungsfaktor bestimmt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Abhängigkeit des vorhandenen Ausnutzungsfaktors werden die erforderlichen Achsmaße der Bewehrung sowie die Mindestabmessungen aus der Tabelle (siehe Tab. 3.3) abgelesen.

Die Ablesung der Tabellenwerte ist nur für Ausnutzungsgrade nfi < 0,4 möglich. Bei Überschreitung dieses Wertes muss die Ausnutzung durch eine erneute Kaltbemessung mit erhöhter Bemessungslast reduziert werden (siehe Kap. 3.5.3).

Wenn dabei der maximal zulässige Bewehrungsgrad (As,vorh ^ Ac χ 0,9) überschritten wird, sind die Stützenabmessungen zu vergrößern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: Ermittlung von vRd,fi(0) mit Hilfe des Interaktionsdiagramms

Bei einer brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen nach DIN 4102-4 in Verbindung mit DIN 4102-22 (siehe Kap. 3.4) können die Gleichungen für Bestimmung der bezogenen Schnittgrößen nach Theorie 2. Ordnung sowie das Diagramm (Abb. 3.5) sinngemäß benutzt werden.

Für die Übergangszeit bis zur bauaufsichtlichen Einführung des neuen Eurocodes bzw. der zukünftigen Überarbeitung von DIN 4102-4 galt folgende Regelung: Erfolgt die Bemessung für die Gebrauchslastfälle nach DIN 1045-1, dann gelten für die brandschutztechnische Bemessung die Regeln der DIBt-Richtlinie. Da diese Methode aufgrund der fehlenden Anwendungsgrenzen, insbesondere bei längeren Stützen, zu unsicheren Ergebnissen führt und ein aufwendigeres Nachweisverfahren nach sich zieht, sollte das Regelwerk aus der Sicht der Autoren [Richter/Fingerloos 2007] nicht mehr verwendet werden.

3.4 Bemessung nach DIN 4102-22

3.4.1 Allgemeines

Aufgrund der zu erwartenden langen Übergangsfrist bis zur bauaufsichtlichen Einführung des Eurocodes (voraussichtlich 2010) veranlasste der NABau- Normenausschuss „Konstruktiver baulicher Brandschutz“ mit Arbeiten an einer Anwendungsnorm zur DIN 4102-4 zu beginnen. Damit soll die Anwendbarkeit von DIN 4102-4 in Verbindung mit neuen nationalen Bemessungsnormen sichergestellt und eine umfassende Fehlerkorrektur im Text der bestehenden DIN 4102-4 durchgeführt werden. Die Aufgabe lag darin die alte und neue Normengeneration aufeinander abzustimmen. Im Folgenden ist die Problematik der unterschiedlichen Sicherheits­konzepte erläutert. Aus dem Vergleich der dargestellten Gleichungen ist der Einfluss der unterschiedlichen Sicherheitsansätze erkennbar.

Der maßgebende Eingangsparameter bei der Anwendung der Tabelle 31 ist der Aus­nutzungsfaktor a1. Er ist in DIN 4102-4 definiert zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Demgegenüber ist der Ausnutzungsgrad nach dem Sicherheitskonzept der DIN 1055­100 wie folgt definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Klassifizierung von Stahlbetonstützen nach DIN 4102-4 wurde von einem bestimmten Sicherheitsabstand (2,1 für Druckglieder) zwischen Einwirkungen und Widerstand ausgegangen. Für die Bemessung im Brandfall muss dagegen ein globaler Sicherheitsbeiwert γ = 1,0 eingehalten werden. Die Tabellen der DIN 4102-4 sind also für ein gegenüber der Kaltbemessung um den Faktor 1/2,1 geringeres Lastniveau ausgelegt. Bei der neuen Bemessung nach DIN 1045-1 ist dieser Abstand zwischen Traglast und „Brandlast“ nicht mehr gegeben. Der nach der alten Norm (DIN 1045) gültige globale Sicherheitsbeiwert für Druckglieder von 2,1 wurde wesentlich reduziert. Unter Berücksichtigung mittlerer Sicherheitsbeiwerte auf der Beanspruchungs- und Widerstandsseite ergibt sich der Sicherheitsbeiwert nach neuer DIN 1045-1 zu 1,6. Die Werte in der Tabelle 31 müssen aus diesen Gründen an die neue Norm angepasst werden.

[...]

Ende der Leseprobe aus 163 Seiten

Details

Titel
Parameterstudie zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen
Hochschule
Fachhochschule Lippe und Höxter in Lemgo
Note
1.3
Autor
Jahr
2008
Seiten
163
Katalognummer
V186578
ISBN (eBook)
9783869436180
Dateigröße
3806 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
parameterstudie, bemessung, stahlbetonstützen
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Slava Naumann (Autor), 2008, Parameterstudie zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen , München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186578

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Im eBook lesen
Titel: Parameterstudie zur brandschutztechnischen 	Bemessung von Stahlbetonstützen



Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden