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Univ.-Prof. a.D. C. Scheer 1Brandschutz praxisgerecht - Bemessung nach neuer DIN 4102-22 03.12.2005

Neue Regelungen und Innovationen im Holzbau- Chancen für die Praxis

Fachgebiet BaukonstruktionenFachgebiet BaukonstruktionenHolzHolz-- und Mauerwerksbauund Mauerwerksbau

Brandschutz praxisgerecht - Bemessung nach neuer

DIN 4102-22

Univ.-Prof. a. D. Dipl.-Ing. Claus Scheer Technische Universität Berlin




Gliederung

Ergänzungsdokumente zur DIN 4102-4

Einwirkungen im Brandfall nach DIN 1055

Bemessung von Wänden, Decken und Dächern

Bemessung von Holzbauteilen

Bemessung von Holzverbindungen

Ausblick




Nationale BrandschutznormenDIN 4102

Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen

DIN 4102-4:1994-03Zusammenstellung und Anwendung klassifizierter Baustoffe, Bauteile und Sonderbauteile

DIN 4102-4/A1:2004-11Zusammenstellung und Anwendung klassifizierter Baustoffe, Bauteile und Sonderbauteile; Änderung A1DIN 4102-22:2004-11Anwendungsnorm zu DIN 4102-4 auf der Bemessungs-basis von Teilsicherheitswerten




BemessungsnormenDIN 4102-4

Brandfall Normaltemperaturen

DIN 1052 Teil 1-2-3 (04/88)

DIN 1052 (08/04)

DIN 1052 Teil 1-2-3/A1 (10/96)DIN 4102 Teil 4 (03/94)

Änderung DIN 4102-4/A1 (11/04)

Anwendungsdokument DIN 4102-22 (11/04)




Tabellen für Wände, Decken und Dächer

Bemessungsvorschriften für Holzbauteile

Bemessungsvorschriften für Verbindungsmittel

Ergänzungenzu DIN 4102-4 durch DIN 4102-22




Einwirkungen im Brandfallnach DIN 1055

DIN 1055-100: 2001-03 „Einwirkungen auf Tragwerke“

DIN 1055-3: 2002-10 „Nutzlasten “

DIN 1055-1: 2002-06 „Eigenlasten“

DIN 1055-4: 2005-03 „Windlasten“

DIN 1055-5: 2005-07 „Schnee- und Eislasten “




Einwirkungen im Brandfallnach DIN 1055-100

genaue Einwirkungskombination

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅ψ⊕⋅ψ⊕⊕⋅γ⊕⋅γ= ∑ ∑

≥ >1j 1ii,ki,21,k1,1dkPAj,kj,GAdA QQAPGEE

ständigeEinwirkung

außergewöhnliche Einwirkung

begleitendeveränderliche Einwirkung

Vorspannung führendeveränderliche Einwirkung




Einwirkungen im Brandfall

Einwirkungskombination (DIN 1055-100, Gl.15)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅ψ⊕⋅ψ⊕⋅γ= ∑ ∑

≥ >1j 1ii,ki,21,k1,1j,kj,GAdA QQGEE

Charakteristische Werte nach DIN 1055




Einwirkungen im Brandfall

vereinfachte Ermittlung

Reduktionsfaktor für die Einwirkungen im Brandfall

Bemessungswert der Einwirkungen unter Normaltemperaturen

dfidA EE ⋅η=

ddA E65,0E ⋅=




Reduktionsfaktor ηfi

1,k1,Qj,kj,G

1,k1,1j,kj,GAfi QG

QG⋅γ+⋅γ

⋅ψ+⋅γ=η

1,0

1,51,35

0,5 für Nutzlast, Wind

0,2 für Schnee, Eis




Abminderungsfaktoren ηfinach DIN 4102-4

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Lastverhältnis Qk,1/Gk

Abm

inde

rung

sfak

tor η

fi

ψfi = 0,90,65 ψfi = 0,7

ψfi = 0,5ψfi = 0,2




Genaue ↔ vereinfachte EinwirkungenBrettschichtholzträger F30

qG,k = 2,50 kN/m (ständig)qQ,k = 6,00 kN/m (veränderlich)Nutzungsklasse 2e = 3,33 m PfettenabstandFestigkeitsklasse GL24h




Genaue ↔ vereinfachte Einwirkungen

100

0

20

40

60

80

100

120

kurz (kalt)

Aus

last

ung

in %





33

100

0

20

40

60

80

100

120

kurz (kalt) kurz

Aus

last

ung

in %





48

33

100

0

20

40

60

80

100

120

kurz (kalt) kurz mittel

Aus

last

ung

in %





69

48

33

100

0

20

40

60

80

100

120

kurz (kalt) kurz mittel lang

Aus

last

ung

in %





6569

48

33

100

0

20

40

60

80

100

120

kurz (kalt) kurz mittel lang

Aus

last

ung

in %




Nachweis Wände, Decken, Dächernach DIN 4102-4 / -22

Beplankung(en)und Bekleidung(en)

Dämmschicht-Mindest-

Holzrippen

Mindestdicke von dicke rohdichte

Holzwerk-stoff-platten(Mindestroh-

dichte ρ =600 kg/m3)

Gipskarton-Feuerschutz-

Platten

(GKF)

Mineralfaser-Platten oder-Matten

Mindest-maße

nachAbschnitt

4.12.2

ZulässigeSpannung

nachAbschnitt

4.12.3

nach Abschnitt 4.12.4 nach Abschnitt 4.1

Zeile

Konstruktionsmerkmale

Abkürzungen:MF Mineralfaser-

Platten oder -Matten

HWL Holzwolle-Leichtbauplatten

b1 × d1

mm × mmzul σDN/mm²

d2mm

d3mm

Dmm

ρkg/m3

1 2,5 13 3) 80 30

2 2,5 13 3) 40 50

3 1,25 8 3) 60 100

4 2,5 13 3)

5 1,25 8 3)

6 2,5 2 × 16 4) 80 30

7 2,5 2 × 16 4) 60 50

8 1,25 19 5) 80 100

9 1,25 19 5)

40 × 80 2)

zul σD

Ausnutzungsfaktor αα = σc,90,d / (kc,90 • fc,90,d)

2,51,0




Bemessung von Holzbauteilen

BemessungskonzepteBemessungskonzepteTabellen entfallenTabellen entfallen

in Anlehnung an EC 5-1-2

Umstellung auf Umstellung auf semiprobabilistisches semiprobabilistisches SicherheitskonzeptSicherheitskonzept




HolzbauteileDIN 4102-22

Bemessungskonzepte

Bemessung mit ideellen Restquerschnitten

Bemessung mit reduzierter Festigkeit und Steifigkeit

genaue Abbrandraten

Abnahme der Festigkeiten und Steifigkeiten infolge Querschnittserwärmung

Erhöhte Abbrandratenkleinerer „ideeller“ Querschnitt

20%-Quantilwerte der Festigkeiten und Steifigkeiten unter Normaltemperatur




Abbrandraten




Abnahme der Festigkeiten von Holz

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 50 100 150 200 250 300

Temperatur in °C

Abna

hme

der F

estig

keit

k θ Druck

Schub

Zug




Abnahme der Festigkeiten von Holz

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 20 40 60 80 100

ur/Ar in m-1

Mod

ifikat

ions

beiw

ert k

mod

,fi Druck

Biegung

Zug




Bemessung mit ideellem Restquerschnitt

Festigkeiten/ Steifigkeiten: 20%-Quantilwerte

Vernachlässigung des Temperatureinflusses

Abbrand d(tf) + d0

(d0 = 7 mm)

Restquerschnitt:

ideeller Restquerschnittideeller Restquerschnitt




Bemessung mit reduzierten Festigkeiten und Steifigkeiten

Festigkeiten/ Steifigkeiten: 20%-Quantilwerte

Berücksichtigung des Temperatureinflussesin Abhängigkeit ur/Ar

Abbrand d(tf)Restquerschnitt:

verbleibender Restquerschnittverbleibender Restquerschnitt




HolzbauteileDIN 4102-22

z.B.

1fkfk d,fi,y,mfi,m

d,fi,y,m

d,fi,0,cfi,y,c

d,fi,0,c ≤⋅

σ+

⋅σ

Knickbeiwert im Brandfall

Bemessungswert der Druckfestigkeit

im Brandfall

Kippbeiwertim Brandfall

Bemessungswert der Biegefestigkeit

im Brandfall

Bemessungswert der Druckspannung

im Brandfall

Bemessungswert der Biegespannung

im Brandfall




Ablauf einer Brandschutzbemessung von Holzbauteilen

Bemessung mit ideellem Restquerschnitt

Bemessung mit reduzierter Steifigkeit und Festigkeit

Bestimmung der anzusetzenden Festigkeiten und Steifigkeiten

Bestimmung der rechnerisch vorhandenen Spannung

Bestimmung des Restquerschnitts für die geforderte Feuerwiderstandsdauer

Nachweisführung für die geforderte Feuerwiderstandsdauer

Bestimmung des Knick- bzw. Kippbeiwertes

ideeller Restquerschnitt verbleibender Restquerschnitt

20%-Quantile der Werte unter Normaltemperaturen

abgeminderte 20%-Quantile der Werte unter Normaltemperaturen




Bemessungshilfen zur DIN 4102-22

tabellierte Tragfähigkeiten nach dem „genaueren Verfahren“in Abhängigkeit der

Festigkeitsklassen

Feuerwiderstandsdauer tf

Querschnittsabmessungen unter Normaltemperaturen

Abstützungsabstände im Brandfall




Tragfähigkeit im Brandfall

Knick- bzw. Kipplänge lef in m

2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

h Rt,0,d,fi Rm,z,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi

[mm] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm]

120 97,7 169 61,4 61,4 169 29,8 29,8 169 17,1 17,1 169 11,1 11,1 169 7,7 7,7 169150 138,6 243 128,5 88,3 336 77,3 42,5 336 45,6 24,4 336 29,7 15,7 336 20,8 11,0 336200 207,0 367 224,8 133,1 743 194,8 63,5 743 135,9 36,4 743 91,7 23,5 743 65,1 16,4 743250 275,3 491 314,5 177,7 1309 298,5 84,6 1309 260,2 48,4 1309 197,3 31,3 1309 144,8 21,8 1273300 343,6 615 403,1 222,3 2034 391,1 105,6 2034 369,6 60,5 2034 325,1 39,1 1956 259,9 27,3 1840350 411,9 739 491,3 266,9 2918 481,0 126,7 2918 465,8 72,5 2843 439,0 46,8 2642 389,9 32,7 2459400 480,2 863 578,2 311,5 3960 570,0 147,7 3960 557,5 84,6 3676 538,8 54,6 3381 507,2 38,1 3114450 548,5 987 663,7 356,1 5162 658,5 168,7 5036 647,5 96,6 4569 632,7 62,4 4158 610,4 43,5 3786500 616,8 1111 749,3 400,7 6523 746,9 189,8 6134 736,7 108,6 5509 724,0 70,1 4958 706,6 49,0 4461550 685,1 1235 834,8 445,3 8042 834,8 210,8 7296 825,5 120,7 6484 814,0 77,9 5769 799,4 54,4 5122600 753,4 1359 920,4 489,9 9721 920,4 231,9 8512 914,0 132,7 7483 903,3 85,7 6577 890,4 59,8 5757650 821,7 1483 1006,0 534,5 11288 1006,0 252,9 9772 1002,4 144,8 8495 992,3 93,5 7369 980,5 65,3 6352700 890,0 1607 1091,5 579,0 12917 1091,5 274,0 11068 1090,7 156,8 9509 1081,0 101,2 8135 1069,9 70,7 6897750 958,3 1731 1177,1 623,6 14613 1177,1 295,0 12390 1177,1 168,9 10515 1169,5 109,0 8863 1159,0 76,1 7426800 1026,6 1855 1262,6 668,2 16370 1262,6 316,1 13730 1262,6 180,9 11504 1257,9 116,8 9543 1247,8 81,5 7956850 1094,9 1979 1348,2 712,8 18181 1348,2 337,1 15080 1348,2 192,9 12467 1346,3 124,5 10182 1336,5 87,0 8485

Bemessungshilfen zur DIN 4102-22GL24h, b = 120 mm, tf = 30 min (vierseitig)

y

z

b

h




Tragfähigkeit im Brandfall

Knick- bzw. Kipplänge lef in m

2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

h Rt,0,d,fi Rm,z,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi Rc,0,y,d,fi Rc,0,z,d,f Rm,y,d,fi

[mm] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm] [kN] [kN] [kNcm]

120 97,7 169 61,4 61,4 169 29,8 29,8 169 17,1 17,1 169 11,1 11,1 169 7,7 7,7 169150 138,6 243 128,5 88,3 336 77,3 42,5 336 45,6 24,4 336 29,7 15,7 336 20,8 11,0 336200 207,0 367 224,8 133,1 743 194,8 63,5 743 135,9 36,4 743 91,7 23,5 743 65,1 16,4 743250 275,3 491 314,5 177,7 1309 298,5 84,6 1309 260,2 48,4 1309 197,3 31,3 1309 144,8 21,8 1273300 343,6 615 403,1 222,3 2034 391,1 105,6 2034 369,6 60,5 2034 325,1 39,1 1956 259,9 27,3 1840350 411,9 739 491,3 266,9 2918 481,0 126,7 2918 465,8 72,5 2843 439,0 46,8 2642 389,9 32,7 2459400 480,2 863 578,2 311,5 3960 570,0 147,7 3960 557,5 84,6 3676 538,8 54,6 3381 507,2 38,1 3114450 548,5 987 663,7 356,1 5162 658,5 168,7 5036 647,5 96,6 4569 632,7 62,4 4158 610,4 43,5 3786500 616,8 1111 749,3 400,7 6523 746,9 189,8 6134 736,7 108,6 5509 724,0 70,1 4958 706,6 49,0 4461550 685,1 1235 834,8 445,3 8042 834,8 210,8 7296 825,5 120,7 6484 814,0 77,9 5769 799,4 54,4 5122600 753,4 1359 920,4 489,9 9721 920,4 231,9 8512 914,0 132,7 7483 903,3 85,7 6577 890,4 59,8 5757650 821,7 1483 1006,0 534,5 11288 1006,0 252,9 9772 1002,4 144,8 8495 992,3 93,5 7369 980,5 65,3 6352700 890,0 1607 1091,5 579,0 12917 1091,5 274,0 11068 1090,7 156,8 9509 1081,0 101,2 8135 1069,9 70,7 6897750 958,3 1731 1177,1 623,6 14613 1177,1 295,0 12390 1177,1 168,9 10515 1169,5 109,0 8863 1159,0 76,1 7426800 1026,6 1855 1262,6 668,2 16370 1262,6 316,1 13730 1262,6 180,9 11504 1257,9 116,8 9543 1247,8 81,5 7956850 1094,9 1979 1348,2 712,8 18181 1348,2 337,1 15080 1348,2 192,9 12467 1346,3 124,5 10182 1336,5 87,0 8485

400

4,0Rm,y,d,fi

3676

Bemessungshilfen zur DIN 4102-22GL24h, b = 120 mm, tf = 30 min (vierseitig)




Bemessungshilfen zur DIN 4102-22

Voraussetzungen der Vergleichsbetrachtung

65% des Bemessungswertes der Einwirkungen unter Normaltemperaturen

unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte des MaterialsγM = 1,3; γM,fi = 1,0

Modifikationsbeiwert kmod = 0,9




Verbindungen

Umstellung auf Umstellung auf semiprobabilistisches semiprobabilistisches SicherheitskonzeptSicherheitskonzept




Bemessung von HolzverbindungenÄnderungen

von DIN 4102-4 durch DIN 4102-22

Regelungen entsprechen im Wesentlichen DIN 4102-4

Bezeichnungen entsprechend DIN 1052: 2004-08

Ermittlung von Rk,fi statt N




VerbindungenDIN 4102-22

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛α+α⋅

⋅η⋅⋅β⋅−⋅⋅= 2290

n1k,1,hfi,connfi,k cossink1d30tfkR

Stabdübel

charakteristischeLochleibungsspannung

im Brandfall

Abminderungs-faktor

Seitenholzdicke

Abbrandrate

Durchmesser

Geometrie-Faktor




Ausblick

neues Konzept der Bemessungsverfahren

fi,dfi,d RE ≤

dfifi,d RR ⋅ξ=Tragfähigkeit im Brandfall

==ξd

fi,dfi R

R Tragfähigkeit im BrandfallTragfähigkeit unter Normaltemperatur




Numerische Tragfähigkeitsermittlung von Holzbauteilen im Brandfall unter Berücksichtigung

des nichtlinearen Materialverhaltens

Querschnittswerte

Festigkeitsklasse CD 40

b / h = 120 / 160 mm

Dauer der Brandbeanspruchung

tfi = 30 min

Temperatur T in K

Temperatur-entwicklung bei

Holzquerschnitten im Brandfall




Numerische Tragfähigkeitsermittlung von Holzbauteilen im Brandfall unter Berücksichtigung

des nichtlinearen Materialverhaltens

20 40

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-60-30

030

60 -40-20

0Breite b in mm

Spannung σm,y,fi in N/mm2

Höh

e h

in m

m

Querschnittswerte

Festigkeitsklasse C40b/h = 120/160 mm

Brandbeanspruchungtfi = 30 min (vierseitig)

Verteilung der Biegespannung

im Brandfall




Temperatur-entwicklung bei

Stabdübelnim Brandfall

Ermittlung der Tragfähigkeit von stabförmigenVerbindungsmitteln im Brandfall




„Noch Fragen?!“

„Ich habe fertig!“

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