Brandbemessung von Druckgliedern

Einleitung

Für die Brandschutzbemessung von Stahlbetonbauteilen benötigt man neben der DIN EN 1992-1-2 (Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken) zusätzlich die DIN EN 1990 (Grundlagen der Tragwerksplanung) und die DIN EN 1991-1-2 (Einwirkungen auf Tragwerke). Für eine bessere Übersicht siehe in die Auflistung Übersicht Eurocode.
Der Eurocode 2 bietet drei Bemessungsstufen für die brandschutztechnische Nachweisführung, wobei mit ansteigender Stufe der Rechenaufwand immer größer wird, dafür wird eine höhere Genauigkeit erreicht.

Grundlagen für die Brandbemessung

Einwirkungen im Brandfall

In diesem Abschnitt werden grundlegende Begriffe und Themen für die Bemessung im Brandfall aufgelistet und erläutert.

Bemessungsverfahren im Stahlbetonbau nach EC 2-1-2

Brandbemessung: Nachweis mit tabellarischen Daten (Stufe 1 mit klassifizierten Bauteilen)

Beim Bemessungsverfahren mittels tabellarischen Daten werden in der Regel Querschnittsabmessungen des zu untersuchenden Bauteils verglichen. Die tabellarischen Daten wurden aus den sogenannten Normbrandversuchen ermittelt. Die im EC2-1-2, Abschnitt 5 enthaltenen Tabellen, in denen in Abhängigkeit von der Feuerwiderstandsdauer Mindestwerte der Querschnittsabmessungen und Achsabstände der Bewehrung festgelegt sind. Die Daten sind bis zu einer Widerstandsdauer von 240 Minuten tabelliert und liegen stehts auf der sicheren Seite.

Allgemeine Hinweise zum Nachweis zulässige Bauteile nach dem Tabellenverfahren:

Hinweis : Die Tabellenwerte gelten für Normalbeton (2 000 bis 2 600 kg/m³, siehe EN 206-1) mit quarzhaltigen Zuschlägen. Werden in Balken oder Platten kalksteinhaltige Zuschläge verwendet, darf die Mindestabmessung des Querschnitts um 10 % verkleinert werden. Bei Anwendung der Tabellenwerte brauchen keine weiteren Überprüfungen hinsichtlich Schub- und Torsionstragfähigkeit und Verankerung der Bewehrung (EC2-1-2, siehe Absch. 4.4 ) durchgeführt werden. Bei Anwendung der Tabellenwerte braucht mit Ausnahme der Oberflächenbewehrung ( EC2-1-2, siehe Absch. 4.5.1 ) keine weiteren Überprüfungen hinsichtlich des Abplatzens durchgeführt werden.

Der Eurocode 2-1-2 enthält Bemessungstabellen für:

1. Stützen mit Rechteck- oder Kreisquerschnitten bei ein- und mehrseitigen Brandbeanspruchung.
2. Tragende und nichttragende Wände.
3. Balken mit Rechteck- und I-Querschnitt bei drei- oder vierseitiger. Brandbeanspruchung.
4. Ein- oder zweiachsig gespannte Platten, Durchlaufplatten, Flachdecken und Rippendecken.

Bei Einhaltung der tabellierten Mindestanforderungen gilt im Sinne der Tragfähigkeit (Kriterium R) :

${{\text{E}}_{{\text{fi}}{\text{,d}}{\text{,t}}}}/{{R}_{d,fi}}\leq 1,0$

(3.1)

mit

${{\text{E}}_{{\text{fi}}{\text{,d}}{\text{,t}}}}$

Bemessungswert der Schnittgrößen beim Brand;

${{R}_{d,fi}}$

Bemessungswert der Tragfähigkeit (Widerstand) beim Brand

Siehe auch ⇒ Hinweise zu Balken und Platten

Hinweis : Zur Bemessung von Stützen bietet der EC 2-1-2 mit den tabellarischen Daten alternativ die Methode A und die Methode B an. Aufgrund von erheblichen Abweichungen der bisherigen Bemessungswerte, aus der DIN 4102-22 (alte Norm), wurde die Methode B im nationalen Anwendungsdokument zur DIN EN 2-1-2 nicht zugelassen. Die Methode A erreichte jedoch eine gute Übereinstimmung und wird im folgenden Abschnitt erläutert wird.

Vereinfachtes Rechenverfahren (Stufe 2)

Es ist bekannt, dass bei Brandbeanspruchung die Materialeigenschaften bsw. die Tragfähigkeit in Abhängigkeit der Temperaturen sich verringern. Die in EC 2-1-2 enthalten an vereinfachten Rechenverfahren beschreiben die Verringerung der Tragfähigkeit von Bauteilen unter Brandbeanspruchung, näherungsweise durch eine temperaturabhängige Verkleinerung des Querschnitts und eine temperaturbedingte Abminderung der Materialeigenschaften beim Brand.

Eine gedankliche Verringerung des Betonquerschnitt berücksichtigt, dass die äußeren, dem Brand direkt ausgesetzten Betonoberflächen aufgezehrt werden und nicht mehr mittragen. Um den Tragfähigkeitsnachweis, analog zum Nachweis für Normaltemperatur nach DIN EN 1992-1-1 zu führen, muss für den gedanklich verringerten Betonquerschnitt lediglich die Festigkeit von Beton und Bewehrungsstahl temperaturabhängig mit den Beiwerten K_c(θ) bzw. K_s(θ) abgemindert werden.

Zur Ermittlung der benötigten Querschnittstemperaturen können die zusammengestellten Diagramme mit Temperaturprofilen im EC 2-1-2 (Anhang A) verwendet werden. Diese Profile dürfen nur für Wände und Platten, Balken und Stützen mit den üblichen Querschnittsformen bei Brandbeanspruchung nach der Einheitstemperaturzeitkurve angewendet werden. Nachdem die reduzierten Betonquerschnitte und die temperaturabhängigen Abminderung der Betonfestigkeit bestimmt wurden, stehen nachdem im EC 2-1-2 Anhang B zwei Verfahren zur Bemessung zur Verfügung.

• Die sogenannte Zonenmethode (nach EC 2-1-2 Anhang B.2), die für Druckglieder im nationalen Anwendungsdokument nur mit zusätzlichen Ausnahmen nach zu Cylok und Achenbach geführt werden darf.

Hinweis : Die Zonenmethode darf für Bauteile, die auf Biegung mit oder ohne Normalkraft beansprucht werden, ohne zusätzliche Annahmen angewandt werden.

• Ein weiteres Verfahren ist im Anhang B.1 geregelt. Die sogenannte 500 °C- Isothermen-Methode wird im nationalen Anhang für die Anwendung in Deutschland nicht zugelassen.

Achtung : In den informativen Anhängen C bis E werden noch weitere vereinfachte Rechenverfahren angeboten. Hiervon dürfen gemäß in Deutschland nur die Verfahren im Anhang E für statisch bestimmte gelagerte und durchlaufende Balken und Platten angewandt werden, bei denen die Tragfähigkeit im Brandfall wesentlich durch temperaturabhängige Festigkeit Abnahme und die kritische Temperatur der Feldbewehrung bestimmt wird.

Allgemeine Rechenverfahren

Bei dem allgemeinen Rechenverfahren wird über eine rechnerische Simulation das Trag- und Verformungsverhalten brandbeanspruchter Einzelbauteile, Teil oder Gesamttragwerke mit beliebigen Querschnittsformen und -arten bei voller oder lokaler Temperaturbeanspruchung ermittelt. Es erfordert im Vergleich zum tabellarischen Nachweis oder zum vereinfachten Rechenverfahren einen sehr großen Aufwand und es lassen sich im Bezug auf die Prüfbarkeit der Ergebnisse, lediglich Gegenrechnungen machen.

Insbesondere für eine statisch unbestimmte Konstruktion, bei denen das Verhalten des Gesamtsystems nicht durch Versuche am Teilsystem bestimmt werden kann, ist die numerische Modellierung und rechnerische Nachweisführung praktisch die einzige Möglichkeit, die Feuerwiderstandsdauer des Tragwerks zu bestimmen. Gerade wegen des Anspruchs der Allgemeingültigkeit und die Korrektheit müssen die allgemeinen Rechtsverfahren kritisch überprüft werden.

Neben einer möglichen Inkorrektheit des Programms, können Eingabedaten problemspezifisch nicht richtig oder nicht sinnvoll für zutreffende Bemessungsereignisse eingegeben werden. Sofern als Rechengrundlage nicht die richtigen Materialgesetze oder Brandbeanspruchung im Programmcode fest hinterlegt sind, können ebenfalls gravierende Abweichungen entstehen.
Aus diesem Grund wurde im nationalen Anhang CC zur DIN EN 1991-1-2/NA Validierungs- und Testbeispiele auf Basis eines Abschlussberichtserstellt, mit denen die Überprüfung der Anwendbarkeit des Rechenprogramms, für die die brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen und Tragwerken, möglich ist. Damit ist ein Rückschluss auf reale Tragwerke umsetzbar. Für mehr Informationen zum Thema Validierung von Rechenprogrammen siehe:

Hinweis : Der nationale Anhang CC sieht vor, dass vom Ersteller eines Rechenprogramms zur Durchführung von Nachweisen nach den allgemeinen Rechenverfahren vor der Anwendung des Programms für bauordnungsrechtliche relevante Brandschutznachweise die Validierungsbeispiele eigenständig berechnet werden sollen. Diese Musterberechnung soll unter Verwendung der im Anhang CC enthaltenen tabellarischen Übersichten, die im Rahmen der Validierung durch den Programmhersteller erzielten Ergebnisse in einer Dokumentation erstellt werden und dem Prüfingenieur bzw. Prüfsachverständigen neben den geführten Nachweisen in einer Dokumentation vorgelegt werden. Eine Abweichung von Musterergebnissen sollte innerhalb der angegebenen Grenzbereiche liegen.