Heißbemessung
Einleitung
Die Grenzzustände der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit spiegeln die alltäglichen Anforderungen an Gebäude unter üblichen Nutzungsbedingungen wider. Neben diesen gibt es aber auch außergewöhnliche Bemessungssituationen, welche beachtet werden müssen. Unter diese fällt unter anderem die Beanspruchung durch den Brandfall [1].
Die Heißbemessung, auch ,,heiße Bemessung“ oder ,,Brandbemessung“ genannt, bezeichnet den rechnerischen Nachweis von Bauteilen oder Tragwerken, welche durch einen Brand beansprucht werden.
Dies ist erforderlich, um für den Brandfall die Standsicherheit eines Gebäudes für eine geforderte Branddauer sicherzustellen. Zum einen, damit die Nutzer des Objektes Zeit haben, um dieses zu verlassen, aber auch um Rettungskräften die Möglichkeit zu geben, das Gebäude zu betreten, Hilfsmaßnahmen einzuleiten und dabei nicht gefährdet zu werden [2].
Grundlagen der Heißbemessung
Brandverlauf
Wenn ein Feuer nicht gelöscht oder erstickt wird, brennt es solange, bis alle brennbaren Materialien oder der Sauerstoff aufgebraucht sind. Dabei kann ein Brand nicht nur die brennbaren Gegenstände im Raum, sondern auch alle brennbaren Gegenstände der Gebäudekonstruktion erfassen [3].
Der Ablauf eines natürlichen Brandes lässt sich hinsichtlich seiner Zeitdauer und Temperaturhöhe in 3 Zeitabschnitte unterteilen [4].
- Brandentwicklungsphase:
- Ein Brand entsteht durch die Entzündung brennbarer Stoffe. Die entzündeten Materialien setzen Energie frei und das Feuer breitet sich auf andere Stoffe aus. Wie schnell sich der Brand entwickelt, hängt von der Intensität der Zündquelle und den beteiligten brennbaren Stoffen ab [5].
In den ersten 15-30 Minuten breitet sich das Feuer schnell aus, wobei die Temperaturen schnell zwischen 800-900 °C liegen [4]. Außerdem werden Gase freigesetzt, die eine zündfähige Atmosphäre bilden können.
- Flashover und Vollbrand:
- Wenn eine bestimmte Temperatur erreicht ist, kann es in Räumen ohne Öffnungen in Dach- oder Deckenflächen zu einem Flashover kommen. Dabei zündet das Gasgemisch schlagartig durch, wobei die Temperatur stark ansteigt. Nun steht der Raum im Vollbrand [6].
Im Vollbrand brennt das gesamte Brandgut und die Dauer des Zeitabschnittes hängt von der Gesamtmenge des vorhandenen brennbaren Materials und des Sauerstoffes ab. Die Temperatur steigt langsam auf bis zu 1000-1100 °C an [4].
- Abklingende Phase:
- Das Brandgut ist aufgebraucht und der Brand erlischt. Die Temperaturen fallen ab [4]. Wie schnell der Temperaturabfall voranschreitet, hängt von der Beschaffenheit des Raumes sowie von dem Wärmespeichervermögen der Materialien ab.
- Das Brandgut ist aufgebraucht und der Brand erlischt. Die Temperaturen fallen ab [4]. Wie schnell der Temperaturabfall voranschreitet, hängt von der Beschaffenheit des Raumes sowie von dem Wärmespeichervermögen der Materialien ab.
Abschnittsbildung und Rettungswege
Ein Gebäude ist zur Geringhaltung der Brandausbreitung generell brandschutztechnisch zu unterteilen. Über Anforderungen hinsichtlich der Errichtung von Brandwänden, wird die Größe von Brandabschnitten indirekt in der Musterbauordnung (MBO) und der Landesbauordnung (LBO) geregelt. Innerhalb dieser Abschnitte wird, wenn möglich, eine weitere Unterteilung in zum Beispiel Nutzungseinheiten oder Geschosse vorgenommen [6].
In den Bauordnungen haben auch Rettungswege einen sehr hohen Stellenwert. Diese dienen zum einen als Fluchtweg zur Selbstrettung, aber auch als Weg für die Fremdrettung, sowie für die Feuerwehr als Angriffsweg. Die verschiedenen Anforderungen werden unter anderem in den Paragraphen der MBO geregelt [6].
Um dies zu ermöglichen sind im Brandfall standsichere Bauteile nötig, welche ihre Tragfähigkeit unter der zulässigen Gebrauchslast beibehalten, sowie den betroffenen Raumbereich umschließen und so verhindern, dass Feuer, Rauch und Wärme in die Nachbarbereiche gelangen [6].
Anforderungen an Bauteile
In der LBO und MBO werden je nach Gebäudeklasse, unterschiedliche Anforderungen an die Bauteile bezüglich ihrer Feuerwiderstandsdauer gestellt. Dazu werden diese hinsichtlich ihres Brandverhaltens in feuerhemmend, hochfeuerhemmend und feuerbeständig unterschieden. Die Feuerwiderstandsdauer von feuerhemmenden Bauteilen muss mindestens 30 Minuten aufweisen. Hingegen beträgt die Zeit von hochfeuerhemmenden Bauteilen mindestens 60 Minuten und die von feuerbeständigen 90 Minuten [6].
Der Feuerwiderstand wird im europäischen System nach der DIN 13501-2 anhand von Leistungskriterien ermittelt. Dabei wird zwischen 3 Hauptkriterien unterschieden.
- Tragfähigkeit R
- Die Tragfähigkeit R steht für die Fähigkeit eines Bauteils, einer Brandbeanspruchung auf einer oder mehreren Seiten, unter festgelegten mechanischen Einwirkungen, für eine gewisse Zeitdauer ohne Verlust der Tragfähigkeit zu widerstehen.
- Raumabschluss E
- Der Raumabschluss E bezieht sich auf Bauteile mit raumtrennender Funktion und deren Fähigkeit unter einseitiger Brandbeanspruchung zu verhindern, dass Flammen oder heiße Gase auf der brandabgewandten Seite auftreten und die Oberfläche dieser oder anderer Materialien beschädigen.
- Wärmedämmung I
- Die Wärmedämmung I steht für die Fähigkeit eines Bauteils einer einseitigen Brandbeanspruchung zu widerstehen, ohne durch eine signifikante Übertragung von Wärme, das Feuer von der brandbeanspruchten auf die brandabgewandte Seite zu übertragen [6].
Die Leistungszeit für die Kriterien wird in Minuten angegeben. Für die Heißbemessung ist die Tragfähigkeit R maßgebend. Ein Beispiel hier wäre ein tragendes Bauteil, welches feuerhemmend ist. Der Feuerwiderstand von diesem würde dann mit R30 angegeben werden [7].
In Deutschland gibt es neben der DIN EN 13501-2 außerdem die Bauteilklassifizierung nach der DIN 4102-2. Dabei werden die Feuerwiderstandsklassen mit einer Baustoffklasse zu einer Kurzbezeichnung verknüpft [6].
Heißbemessung nach EC
Die Bemessungsverfahren für Brandschutznachweise werden in den Brandschutzteilen des Eurocodes geregelt. Diese ermöglichen individuelle Nachweise für Einzelbauteile, aber auch Teil- und Gesamttragwerke [6].
Die Anwendbarkeit optionaler Nachweisverfahren und national festlegbare Parameter werden in den nationalen Anhängen der Eurocodes geregelt. Diese werden für die Anwendung der Eurocodes benötigt und sind mit der Kennung NA gekennzeichnet [6].
DIN EN | NA | Titel |
---|---|---|
1991-1-2
2010-12 |
1991-1-2/NA
2015/09 |
Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke
Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen – Brandeinwirkungen auf Tragwerke |
1992-1-2
2010-12 |
1992-1-2/NA
2010-12 |
Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken
Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall |
1993-1-2
2010-12 |
1993-1-2/NA
2010-12 |
Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten
Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall |
1994-1-2
2010-12 |
1994-1-2/NA
2010-12 |
Eurocode 4: Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Beton und Stahl
Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall |
1995-1-2
2010-12 |
1995-1-2/NA
2010-12 |
Eurocode 5: Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauten
Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall |
1996-1-2
2011-04 |
1996-1-2/NA
2013-06 |
Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten
Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall |
1999-1-2
2010-12 |
1999-1-2/NA
2011-04 |
Eurocode 9: Bemessung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken
Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall |
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 Brandes, auf dessen Grundlage die Bauteile 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:
- 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)
- für Vollbrände
- 2. allgemeine Brandmodelle (in Anhang D geregelt)
- Das Ein-Zonen-Modell
- Das Zwei-Zonen-Modell
- Feldmodell
Hinweis :
|
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
Mechamische Einwirkungen
Im EC1-1-2 [2] wird im Brandfall anzunehmenden mechanischen Einwirkungen in direkte und indirekte Einwirkungen unterschieden.
Indirekte Einwirkungen
Indirekte Einwirkungen infolge von Brandbeanspruchung sind Kräfte und Momente, die durch thermische Ausdehnungen, Verformungen und Verkrümmungen hervorgerufen werden. Sie müssen nicht berücksichtigt werden, wenn sie das Tragverhalten nur geringfügig beeinflussen und/oder durch entsprechende Ausbildung der Auflager aufgenommen werden können. Außerdem brauchen sie bei der brandschutztechnischen Bemessung von Einzelbauteilen nicht gesondert verfolgt werden. Wenn indirekte Einwirkungen berücksichtigt werden müssen, sind sie unter Ansatz der thermischen und mechanischen Materialkennwerte aus den baustoffbezogenen Eurocodes zu ermitteln. [3]
Direkte Einwirkungen
Als direkte Einwirkungen werden die bei der Bemessung für Normaltemperatur berücksichtigten Lasten (Eigengewicht, Wind, Schnee usw.) bezeichnet. Die maßgebenden Werte der Einwirkungen sind den verschiedenen Teilen der DIN EN 1991, bzw. den zugehörigen nationalen Anhängen, zu entnehmen, wo auch allgemeine Regeln zur Berücksichtigung von Schnee- und Windlasten sowie Lasten infolge des Betriebes (z.B. Horizontalkräfte infolge von Kranbewegungen) angegeben werden. Eine Verringerung der Belastung durch Abbrand bleibt unberücksichtigt.
Allgemeine Regeln
Für die Einwirkungen gilt die DIN EN1991-1-1/2. Es werden die charakteristischen Lasten wie für die kalte Bemessung angesetzt.
Die Einwirkungen im Brandfall Efi,d,t ergeben sich nach den Kombinationsregeln in DIN EN 1990 [4] zu:
mit
- der Bemessungseinwirkung im Brandfalls
- der ständigen, charakteristischen Einwirkungen
- der veränderlichen, charakteristischen Leiteinwirkung
- der veränderlichen, charakteristischen Einwirkung
- dem Bemessungswert der indirekten Einwirkungen
- dem Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkung nach DIN EN1990
- dem Kombinationsbeiwert der Einwirkun nach DIN EN1990
Hinweis :
|
Vereinfachte Regeln
Wenn indirekte Einwirkungen - also solche, die aus Verformungen im Brandfall resultieren - vernachlässigbar klein sind, gilt vereinfachend die außergewöhnliche Einwirkungskombination als über den Brandverlauf konstant:
mit
- der außergewöhnlichen Kombination für den Brandfall (mit den Indizes fire, design, time)
- der außergewöhnlichen Kombination über den Brandfall konstant
Die Einwirkung während des Brandes kann mittels eines Reduktionsfaktors aus der Einwirkung unter Normaltemperatur ermittelt werden:
mit
- der Bemessungseinwirkung während des Brandfalls
- der Bemessungseinwirkung bei Normaltemperatur
- dem Reduktionsfaktor.
Hinweis :
|
Der Reduktionsfaktor lässt sich folgendermaßen ermitteln:
mit
- der ständigen, charakteristischen Einwirkung (mit Index charakteristisch)
- der veränderlichen, charakteristischen Leiteinwirkung
- dem Teilsicherheitsbeiwert für ständige Einwirkungen
- dem Teilsicherheitsbeiwert für veränderliche Leiteinwirkung
- dem Kombinationsfaktor für den Brandfall als außergewöhnliche Situation, entspricht ψ2 (quasi-ständig) oder im Ausnahmefall Wind ψ1 (häufig).
Beispielrechnung
Thermische Einwirkungen
Die thermischen Einwirkungen auf Bauteile werden in Abhängigkeit von der (Heißgas-) Temperatur
θg in der Bauteilumgebung als Netto-Wärmestrom ḣnet vorgegeben, der aus einem konvektiven Anteil und einem radiativen Anteil besteht:
[2]
[3]
(1.1)[5] |
Dabei ist ḣnet,c gegeben durch Gleichung (1.2) und ḣnet,r durch Gleichung (1.3).
|
(1.2) |
der Wärmeübergangskoeffizient für Konvektion [W/m²K] |
die Gastemperatur in der Umgebung des beanspruchten Bauteils [°C] |
die Oberflächentemperatur des Bauteils [°C] |
|
(1.3) |
Konfigurationsfaktor (zur Berücksichtigung von Abschattungen) [-] |
Emissivität der Bauteiloberfläche [-] [°C] |
Emissivität des Feuers [-] |
Stefan Boltzmann Konstante [W/m²K4] |
Strahlungstemperatur der Umgebung [°C] |
Oberflächentemperatur des Bauteils [°C] |
Hinweis :
|
Die Werte, die für den Wärmeübergangskoeffizient für Konvektion angesetzt werden, valieren je nach Brandkurve und nach Lage der Bauteiloberflächen zum Brandherd, somit darf für die feuerabgekehrten Bauteilseite mit αc = 4 W/m2K angenommen werden. Mit αc = 9 W/m2K kann gerechnet werden, wenn die Wärmeübertragung durch Strahlung mit abgedeckt werden soll. (Siehe Tabelle)
Falls in den baustoffbezogenen Eurocodes keine anderen Angaben gemacht werden, darf εm = 0,8 gesetzt
werden; für die Emissivität der Flamme gilt im Allgemeinen εf = 1,0.
Für die brandschutztechnische Bemessung werden verschiedene nominelle Temperaturzeitkurven zur Beschreibung der Heißgastemperatur θg in Abhängigkeit der Branddauer t [min] mit dem jeweils zugehörigen Wärmeübergangskoeffizienten für Konvektion αc vorgegeben.[3]
Brand abgewandte Seite von trennenden Bauteilen | αc [W/m²K] |
---|---|
Möglichkeit 1: Wärmeübergang durch Strahlung wird gesondert berücksichtigt | 4 |
Möglichkeit 2: Wärmeübergang durch Strahlung ist enthalten | 9 |
Brand zugewandte Seite der Bauteiloberfläche: | |
Einheitstemperaturzeitkurve oder externe Brandkurve | 25 |
Hydrocarbon-Brandkurve | 50 |
Parametrische Brände, Zonenmodelle oder außenliegende Bauteile | 35 |
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
- ↑ Hochspringen nach: 1,0 1,1 DIN EN 1991-1-2/NA:2015-09
- ↑ Hochspringen nach: 2,0 2,1 2,2 DIN EN 1991-1-2: 2015-09;DIN EN 1991-1-2/NA:2015-09 Referenzfehler: Ungültiges
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-Tag. Der Name „EC1-1-2“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert. Referenzfehler: Ungültiges<ref>
-Tag. Der Name „EC1-1-2“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert. - ↑ Hochspringen nach: 3,0 3,1 3,2 Dietmar Hosser: Brandschutz in Europa - Bemessung nach Eurocodes; 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2012, Beuth Verlag GmbH Referenzfehler: Ungültiges
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-Tag. Der Name „Hosser“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert. - ↑ DIN EN 1990: 2010-12
- ↑ DIN EN 1991-1-2:2010-12, Abschnitt 3