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  • Nationale brandschutztechnische Bemessung

    Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann Institut für Stahlbau Universität Hannover

    Stahlbaukalender 2001

  • Nationale brandschutztechnische Bemessung Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung 1

    2 Brandschutzanforderungen nach Musterbauordnung 2

    3 Die neue Muster-Industriebaurichtlinie (M IndBauRL) 2

    3.1 Allgemeines 2

    3.2 Vereinfachte Nachweismethode 4

    1.3 Rechenverfahren nach DIN 18230-1 5

    1.4 Methoden des Brandschutzingenieurwesens6

    4 Eurocode 3 Teil 1-2 Brandschutztech- nische Bemessung von Stahlbauten 6

    4.1 Allgemeines 6

    4.2 Einwirkungen im Brandfall 8 4.2.1 Thermische Einwirkungen 8 4.2.2 Mechanische Lasten im Brandfall 8

    4.3 Temperaturabhängige Werkstoffkennwerte 9

    4.4 Tragwerksbemessung im Brandfall für Stahlbauten 11

    4.4.1 Allgemeines 11 4.4.2 Stahltemperaturen 12 4.4.3 Nachweis auf Temperaturebene (θcr-

    Verfahren) 17 4.4.4 Nachweis auf Tragfähigkeitsebene 17

    5 Zusammenfassung und Ausblick 18

    6 Literatur 19

    6.1 Normen und Richtlinien 19

    6.2 Veröffentlichungen 20

    7 Formelzeichen 21

    8 Beispiel - Stahlträger 22

    8.1 Aufgabenstellung 22

    8.2 Tragfähigkeitsnachweis bei Raumtemperatur 23

    8.3 Tragfähigkeitsnachweise im Brandfall 23 8.3.1 Einwirkungen im Brandfall 23 8.3.2 Berechnung der Stahltemperaturen 23 8.3.3 Nachweis auf Temperaturebene

    (θcr-Verfahren) 25 8.3.4 Nachweis auf Tragfähigkeitsebene 26

    9 Beispiel - Stahlstütze 27

    9.1 Aufgabenstellung 27

    9.2 Tragfähigkeitsnachweis bei Raumtemperatur 28

    9.3 Tragfähigkeitsnachweise im Brandfall 28 9.3.1 Einwirkungen im Brandfall 28 9.3.2 Berechnung der Stahltemperaturen 28 9.3.3 Nachweis auf Temperaturebene

    (θcr-Verfahren) 30 9.3.4 Nachweis auf Tragfähigkeitsebene 31

  • Nationale brandschutztechnische Bemessung 1 1 Einleitung

    Bei oberirdischen, offenen Parkgaragen werden keine Anforderungen an den Feuerwiderstand der tragenden Bauteile gestellt. Diese erst in jüngerer Zeit bundesweit vereinheitlichte Regelungssituation findet in ihrer Fortschrittlichkeit nur in wenigen europäischen Ländern ihre Parallelen. Die Folge ist eine eindrucksvolle Entwicklung des Marktanteils von Stahlbauten in diesem Marktsegment in den letzten Jahren. Damit wird deutlich, welche Optio- nen sich für den Stahlbau eröffnen, wenn es gelingt, die Anforderungen an den Feuerwiderstand von Stahlbauteilen auf das sicherheitstechnisch gebotene Maß zu reduzieren und – wenn möglich – unge- schützte Stahlkonstruktionen im Hochbau zu ver- wirklichen.

    Bild 1-1 Parkhaus Nord, Hannover Messe ungeschützte Stahlstützen und Verbundträger

    Diese erfreuliche Entwicklung nährt die Hoffnung der Stahlbauunternehmen, dass auch in anderen Marktsegmenten eine Reduzierung von Anforde- rungen an den konstruktiven baulichen Brandschutz zu einer günstigeren Wettbewerbssituation führen könnte. Denn Brandschutzbekleidungen für Stahl- konstruktionen - gleich welcher Feuerwiderstands- klasse –bedeuten erhebliche Mehrkosten, die in der Größenordnung der Materialkosten für den Baustahl liegen. Die Bauordnungen der Länder widmen sich in erster Linie den Gebäuden normaler Art und Nutzung. Damit sind vorrangig Wohnungsbauten gemeint. Die Regelungen zum vorbeugenden baulichen Brandschutz betreffen Anforderungen an Flucht- und Rettungswege, die Begrenzung der Brandaus- breitung durch räumliche Trennung und Anforde- rungen an Baustoffe und Bauteile. Von den tragen- den Bauteilen wird im Grundsatz Feuerbeständigkeit gefordert, was praktisch der Feuerwiderstandsklasse F 90 entspricht. Ausnahmen von dieser Regel bilden Gebäude geringer Höhe (ca. drei Geschosse) mit der

    Feuerwiderstandsklasse F 30 und Einfamilienhäuser mit einer Wohnung, bei denen keine Anforderungen gestellt werden. Die Abstufung der Anforderungen an den Feuerwi- derstand nach der Gebäudehöhe findet sich analog auch in den Sonderbauverordnungen wieder (s. dazu Kap. 2). Eine Sonderstellung nehmen in diesem Zusammenhang die Regelungen zum baulichen Brandschutz im Industriebau ein, die in diesem Jahr (2001) in die Liste der Technischen Baubestimmun- gen aufgenommen werden (s. dazu Kap. 3). Nationale und internationale Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des baulichen Brandschutzes tragen in jüngerer Zeit Früchte in Normen und Vorschrif- ten und führen zu spürbaren Veränderungen auch für die brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen. Dazu gehören fraglos die Brandschutztei- le der Eurocodes („heiße“ Eurocodes). Sie ermögli- chen besonders für den Stahlbau und den Ver- bundbau die brandschutztechnische Bemessung auf der Basis rechnerischer Nachweisfahren. In den vergangenen Jahren wurden diese Berech- nungsverfahren regelmäßig im Rahmen der Erarbei- tung von Brandschutzkonzepten für Sonderbauten angewendet. Dabei wurden vielfach ungeschützte Stahlbauteile für Dachkonstruktionen von Atrien und großen Messe- oder Sporthallen ermöglicht; ein Beispiel zeigt Bild 1-2.

    Bild 1-2 Verwaltungsgebäude der dvg, Hannover ungeschütztes Stahlmodul-Dachtragwerk

    Nachdem das Deutsche Institut für Normung (DIN) die „heißen“ Eurocodes im Jahr 1997 erstmalig in deutscher Sprache veröffentlicht hat, sind die Nor- men mit den zugehörigen Nationalen Anwendungs- dokumenten im Jahr 2000 erschienen und werden in diesem Jahr (2001) in die Liste der Technischen Baubestimmungen aufgenommen. Damit wird der Kreis der Anwender dieser Vorschriften im bauauf- sichtlichen Genehmigungsverfahren sicherlich deutlich vergrößert. Für Stahl- und Stahlverbundbauten im Hoch- und Ingenieurbau sind drei „heiße“ Eurocodes von Bedeutung. Die Einwirkungen im Brandfall werden

  • 2 Nationale brandschutztechnische Bemessung in DIN V ENV 1991-2-2 [1] (kurz: EC1-2-2) gere- gelt, während die Regeln zur brandschutztechni- schen Tragwerksbemessung für Stahlbauten in DIN V ENV 1993-1-2 [2] (kurz: EC3-1-2) bzw. für Verbundtragwerke aus Stahl und Beton in DIN V ENV 1994-1-2 [3] (kurz: EC4-1-2) enthalten sind. Die zugehörigen Nationalen Anwendungsdo- kumente (NAD) wurden als DIN-Fachberichte veröffentlicht. Alle Eurocodes zur brandschutztech- nischen Bemessung sind mit den NADs in [9] zusammengefasst. Über die Brandsicherheit von Verbundtragwerken auf der Basis des EC4-1-2 wurde von FONTANA im Stahlbau-Kalender 2000 [10] ausführlich berichtet. Dieser Beitrag widmet sich daher schwerpunktmä- ßig im Kap. 4 und in den Beispielen Kap. 8 und 9 der brandschutztechnischen Bemessung von Stahl- bauteilen auf der Grundlage von EC3-1-2.

    2 Brandschutzanforderungen nach Musterbauordnung

    Der Arbeitsausschuss Brandschutz hat unter dem Vorsitz des Verfassers eine Empfehlung erarbeitet [11], die Anforderungen an den Feuerwiderstand tragender Stahlbauteile ausgedrückt in Feuerwider- standsklassen zusammenfasst. Grundlage dafür sind die Musterbauordnung (MBO) und die Muster- Sonderbauordnungen. Die Tabelle 2-1 gibt einen Überblick über die Anforderungen. Darüber hinaus sieht der Entwurf für die zukünftige Musterbauordnung zwischen den Feuerwiderstands- klassen F 30 (feuerhemmend) für Gebäude geringer Höhe und F 90 (feuerbeständig) für sonstige Gebäu- de die Zwischenstufe der Feuerwiderstandsklasse F 60 AB („hochfeuerhemmend“) vor. Diese Brand- schutzanforderung soll für Gebäude mittlerer Höhe, deren höchste Aufenthaltsräume maximal 13,0 m (bezogen auf Fußboden) über Gelände liegen und deren Nutzungseinheiten in einem Geschoss nicht größer als 400 m² sind, gelten. In [11] wird auch die in der Praxis häufig gestellte Frage nach den Brandschutzanforderungen an Balkone in Stahlbauweise angesprochen. Die ARGEBAU hat festgestellt, dass die Anforderungen der Landesbauordnungen an tragende und ausstei- fende Wände, Pfeiler, Stützen und Decken nicht für Balkone gelten und dass Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer von Balkonen nicht erfor- derlich sind.

    3 Die neue Muster-Industrie- baurichtlinie (M IndBauRL)

    3.1 Allgemeines

    In der Muster-Industriebaurichtlinie [4] werden die Mindestanforderungen an den Brandschutz von Industriebauten festgelegt. Industriebauten, die diesen Anforderungen hinsichtlich • der Feuerwiderstandsfähigkeit der Bauteile und

    der Brennbarkeit der Baustoffe, • der Größe der Brandabschnitte bzw. Brandbe-

    kämpfungsabschnitte, • der Anordnung, Lage und Länge der Rettungs-

    wege entsprechen, erfüllen die Schutzziele des § 17 Abs. 1 MBO. Für den Nachweis der Brandsicherheit von Indust- riebauten werden nunmehr drei Verfahren bereitge- stellt: • Vereinfachtes Nachweisverfahren ohne

    Brandlastermittlung, • Nachweisverfahren mit Ermittlung der Brand-

    last auf Grundlage von DIN 18230-1 [5], • Methoden des Brandschutzingenieurwesens. Die Anwendung der Richtlinie setzt die Einhaltung allgemeiner Anforderungen voraus bezüglich des Löschwasserbedarfs, der Lage und Zugänglichkeit des Gebäudes, der Rettungswege sowie der Treppen und Treppenräume, des Rauchabzugs, der Brand- melde- und Feuerlöschanlagen, der Dächer und Wände sowie den betrieblichen Maßnahmen zum Brandschutz und zur Gefahrenverhütung. In der Richtlinie werden Sicherheitskategorien K1 bis K4 zur Berücksichtigung einer Werkfeuerwehr und der in einem Brand- oder Brandbekämpfungs- abschnitt vorhandenen brandschutztechnischen Infrastruktur definiert: • Sicherheitskategorie K1:

    Brandabschnitte oder Brandbekämpfungsab- schnit