Heißbemessung

Einleitung

Neben den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit, welche die alltäglichen Anforderungen unter normalen Bedingungen an Gebäuden wiederspiegeln, müssen auch außergewöhnliche Bemessungssituationen betrachtet werden. Eine von diesen Situationen ist die Bemessung von tragenden Bauteilen für den Brandfall. Der Grund einer „heißen Bemessung“ ist es, dass für eine geforderte Branddauer die Standsicherheit eines Gebäudes sichergestellt werden muss. Zum einen um den Nutzer des Objektes ausreichend Zeit zu verschaffen das Gebäude im Brandfall zu verlassen. Zum anderen um den Rettungskräften die Möglichkeit zu geben, das Gebäude zu betreten und die Hilfemaßnahmen einzuleiten, ohne selbst gefährdet zu werden.

Grundlagen der Heißbemessung

Brandverlauf

Um eine Heißbemessung zu verstehen, muss man den Ablauf eines Brandes nachvollziehen können. Naturbrände können grob in drei Phasen unterteilt werden.

Zündungs- und Entstehungsphase: Der Brand entsteht durch Entzündung brennbarer Stoffe. Wenn diese in ausreichender Form vorhanden sind, kann sich der Brand ausbreiten. Ist dies nicht der Fall, verlöscht das Feuer bevor es auf andere Materialien übergreifen kann. Die entzündeten Materialien setzen Energie frei und das Feuer breitet sich auf andere Stoffe aus. Dabei steigt die Temperatur stetig an. Außerdem werden Gase freigesetzt, die eine zündfähige Atmosphäre bilden.

Flashover und Vollbrand: Wenn eine bestimmte Temperatur erreicht ist, zündet das Gasgemisch schlagartig durch (Flashover) wobei die Temperatur stark ansteigt. Nun steht der Raum im Vollbrand. Diese Phase hält solange an wie Material und Sauerstoff vorhanden sind, wobei die Temperatur nahezu konstant bleibt.

Abklingende Phase: Das entzündete Material verbrennt und die Temperaturen fallen ab, bis der Brand verlöscht. Wie schnell der Temperaturabfall voranschreitet hängt von der Beschaffenheit des Raumes ab, sowie von dem Wärmespeichervermögen der Materialien.

Brandmodelle

Um Bauteile allgemein bemessen zu können, wurden verschiedene Brandmodelle entwickelt. Das sind zum einen die Naturbrandmodelle und zum anderen die Normbrandmodelle. Die verschiedenen Modelle basieren auf den Ablauf eines normalen Brandes, werden aber unterschiedlich idealisiert.

Naturbrandmodelle

Naturbrandmodelle bilden einen realistischen Brand nach, indem die Temperaturentwicklung eines natürlichen Brandverlaufes berücksichtigt wird. Das bedeutet, dass jedens Naturbrandmodell eine nutzungsspezifische Brandlast besitzt. Die Temperaturbeanspruchung im Verlauf des Brandes nimmt in dem Maße ab, in dem die Brandlast verbraucht wird. So entsteht ein realistisches Bild eines Brandesm auf dessen Grundlage die Buteile bemessen werden können. Im Gegensatz zur Einheitstemperaturkurve können bei langen Branddauern aufgrund der sinkenden Hitze im Verlauf des Brandes wirtschaftlichere Ergebnisse erzielt werden. Das sind zum Beispiel gringere erforderliche Feuerwiderstände bei Türen und anderen Bauteilen.
Die folgenden Naturbrandmodelle werden genannt, in den Klammern "()" sind die angegebenen informativen Anhänge geregelt:

1. Vereinfachte Brandmodelle

• für Vollbrände
  • Beschreibung auf der Grundlage physikalischer Parameter
  • für innenliegende Bauteile (in Anhang A geregelt) zu bzw.
  • für außenliegende Bauteile ( in Anhang B geregelt)
• für lokale Brände
  • Beschreibung mit Hilfe von Plume-Modell (in Anhang C geregelt)

2. allgemeine Brandmodelle (in Anhang D geregelt)

• Das Ein-Zonen-Modell
• Das Zwei-Zonen-Modell
• Feldmodell

Hinweis : Im nationalen Anhang wird zum Naturbrandmodell folgendes geregelt: "Naturbrandmodelle nach 3.3.1 bzw. 3.3.2 sollten nur im Zusammenhang mit einem Brandschutzkonzept bzw. Brandschutznachweis (nach Landesrecht) angewendet werden." Im Nationalen Anhang wird die Anwendbarkeit des vereinfachten Naturbrandmodell teilweise eingeschränkt bzw. abweichend geregelt. Des Weiteren ist in Anhang BB die Vorgaben zur Ermittlung der Brandeinwirkung mit Naturbrandmodell neu geregelt.

Normbrandmodelle

Bei Normbrandmodellen werden Brandverläufe idealisiert. Somit ergeben sich Temperaturzeitkurven, die auf der sicheren Seite liegen und als Bemessungsgrundlage für die Heißbemessung im Eurocode dienen. Diese Brandkuven können bei großen Brandfällen zu sehr unwirtschaftlichen Ergebnissenführen. Hier ist es hilfreich auf Naturbrandmodelle zurückzugreifen. Für Standartnachweise ist die ETK zu verwenden.
Im Eurocode wird zwischen drei Temperaturzeitkurven unterschieden.

• Hydrokarbonkurve

Bei der Betrachtung der Hydrokarbonkurve fällt auf, dass nach relativ kurzer Zeit ein enormer Temperaturanstieg zu verzeichnen und nach wenigen Minuten eine Temperatur von 1100 °C erreicht ist. Diese Kurve wird bei Bemessungsbränden herangezogen, indem nach kurzer Zeit extrem hohe Temperaturen entstehen, zum Beispiel bei Tunnelbränden oder bei Flüssigkeitsbränden.

• Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK)

Bei der ETK steigt die Temperatur allmählich an und nach ca. 180 min sind auch hier die 1100 °C erreicht. Alle Tabellen, die in der alten Brandschutznorm oder in den Eurocode erstellt wurden, sind anhand der Einheitstemperaturzeitkurve geprüft.

In der Regel ist die Einheitstemperaturzeitkurve für brandschutztechnische Nachweise von Tragwerken im Hochbau anzuwenden.

• Externe Brandkurve

Die "Externe Brandkurve" oder auch "Außenbrandkurve" genannt, kann unter bestimmten Randbedingungen, z.B. bei Bauteilen bzw. Bauteiloberflächen die, außerhalb des Brandherdes liegen, verwendet werden.

Brandkurven für Normbrände und Naturbrände im Vergleich

Brandkurven nach Bauordnungsrecht und Naturbrände

Thermische Eigenschaften

Heißbemessung nach Eurocode (EC)

Die Heißbemessung wird in allen Bauarten, die nach Eurocode verwendet werden, durchgeführt und berücksichtigen die speziellen Eigenschaften der verwendeten Baustoffe.

Heißbemessung nach DIN EN1992-1-2: Heißbemessung Stahlbetonbau

Heißbemessung nach DIN EN1993-1-2: Heißbemessung Stahlbau

Quellenangaben