Inhaltsverzeichnis 2

Inhaltsverzeichnis   

Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................   2

Abbildungsverzeichnis   5

Tabellenverzeichnis. 8   

Abk  ürzungsverzeichnis  9

1  Einleitung.  10

1.1  Problemstellung  10

1.2  Zielsetzung  10

1.3  Gliederung der Arbeit.  11

2  Grundlagen  13

2.1  Brandschutz.  13

2.2  Brandablauf  14

2.3  Gesetzliche Grundlagen  16

2.4  Technische Baubestimmungen  19

2.4.1  Allgemeines  19

2.4.2  Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102.  20

2.5  Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonstützen.  24

2.5.1  Allgemeines  24

2.5.2  Abplatzverhalten  25

2.5.3  Hochtemperaturverhalten von Beton und Stahl  26

2.5.4  Temperaturverteilung im Querschnitt  29

3  Brandschutzbemessung nach DIN.  32

3.1  Geschichtlicher Abriss  32

3.2  Bemessung nach DIN 4102-4.  33

3.3  DIBt-Richtlinie als Übergangslösung  35

3.4  Bemessung nach DIN 4102-22.  40

3.4.1  Allgemeines  40

3.4.2  α -Verfahren  42

3.4.3  Neue Tabelle 31  43

3.4.4  Erweiterte Tabelle 31.  46

3.5  Randbedingungen der neuen Tabelle 31  48

3.6  Bemessungsbeispiel 1.  51

3.6.1  Brandschutzbemessung nach DIN 4102-4  53

3.6.2  Brandschutzbemessung nach DIBt-Richtlinie.  53

3.6.3  Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (α -Verfahren)  53

3.6.4  Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (Neue Tabelle 31)  55

Inhaltsverzeichnis 3

3.6.5  Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (erweiterte Tabelle 31)  55

3.6.6  Bemessungsbeispiel 2.  56

3.6.7  Brandschutzbemessung nach DIBt-Richtlinie.  58

3.6.8  Brandschutzbemessung nach DIN 4102-22 (α -Verfahren)  59

4  Brandschutzbemessung nach EC  62

4.1  Allgemeines  62

4.1.1  Geschichtlicher Abriss  63

4.1.2  DIN V ENV 1992-1-2  64

4.1.3  DIN EN 1992-1-2  64

4.2  Tabellarische Bemessung  66

4.3  Bemessungsbeispiel 3.  68

4.4  Vereinfachtes Berechnungsverfahren  72

4.5  Bemessungsbeispiel 4.  79

4.5.1  Programmgesteuerte Berechnung.  79

4.5.2  Berechnung mit einem Interaktionsdiagramm  81

4.6  Allgemeines Rechenverfahren.  83

4.6.1  Thermische Analyse  84

4.6.1.1  Thermische Einwirkungen  84

4.6.1.2  Temperaturverteilung in Bauteilen.  85

4.6.1.3  Mechanische Analyse.  90

4.6.1.4  Mechanische Einwirkungen  90

4.6.1.5  Tragfähigkeit von Bauteilen  91

5  Parameterstudie  96

5.1  Allgemeines  96

5.2  Kalte Bemessung.  97

5.3  Programmbeschreibung  99

5.4  Pendelstütze  102

5.4.1  Festlegung der Parameter  102

5.4.2  Brandschutztechnische Bemessung.  105

5.4.2.1  Berechnungsergebnisse (l 6 m, c nom 25 mm)  105

5.4.2.2  Berechnungsergebnisse (l 6 m, c nom 30 mm)  108

5.4.2.3  Berechnungsergebnisse (l 6 m, c nom 35 mm)  111

5.4.2.4  Berechnungsergebnisse (l 4 m, c nom 25 mm)  114

5.4.2.5  Berechnungsergebnisse (l 4 m, c nom 30 mm)  117

5.4.2.6  Berechnungsergebnisse (l 4 m, c nom 35 mm)  120

5.4.3  Auswertung von Berechnungsergebnissen  123

5.4.3.1  Allgemeines  123

5.4.3.2  Auswirkung der Stützenlänge  124

5.4.3.3  Überschreitungen des Ausnutzungsgrades  126

5.4.3.4  Auswirkung des Achsabstandes.  129

5.4.3.5  Auswirkung der kalten Bemessung  129

5.5  Kragstütze  132

Inhaltsverzeichnis 4

5.5.1  Brandschutztechnische Bemessung.  132

5.5.1.1  Versuchsstütze 1  133

5.5.1.2  Versuchsstütze 2  139

5.5.1.3  Versuchsstütze 3  146

6  Zusammenfassung und Ausblick.  153

Anlage  1:  157

Literaturverzeichnis   159

Abbildungsverzeichnis 5

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Brandschutzmaßnahmen [Kordina 1999] ......................................... 13 Abbildung 2.2: Brandphasen [Kordina 1999] ............................................................ 15 Abbildung 2.3: Übersicht der bauaufsichtlichen Brandschutz-Forderung ................. 17 Abbildung 2.4: Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102.......... 21 Abbildung 2.5: Einheits-Temperaturzeitkurve nach DIN 4102-2............................... 22 Abbildung 2.6: Abplatzungen bei einer Stütze nach einer Brandeinwirkung ............ 25 Abbildung 2.7: Temperaturabhängiger Spannungs-Dehnungs-Verlauf für Normalbeton [Werner 2006].............................................................. 27 Abbildung 2.8: Relative Strackgrenze von Baustählen bei Temperaturerhöhung

[Kordina 1999]................................................................................... 28 Abbildung 2.9: Temperaturabhängige Längenänderung von Beton und Stahl

[Mehlhorn 1997] ................................................................................ 29 Abbildung 2.10: Temperaturfelder im Stützenquerschnitt [Avak 2007/1].................... 30 Abbildung 2.11: Temperatur- und zeitabhängige Einwirkungen und Widerstände im Brandfall [Avak 2007/1] ................................................................ 31 Abbildung 3.1: Achsabstand der Bewehrung [Kordina 1999] ................................... 33 Abbildung 3.2: Tabelle 31. Mindestdicke und Mindestachsabstände der Stützen aus Normalbeton [DIN 4102-4] ......................................................... 34 Abbildung 3.3: Tabelle 4.1. Mindestdicken und Mindestachsabstände von Stahlbetonstützen aus Normalbeton [DIN V ENV 1992-1-2] ............ 36 Abbildung 3.4: Tabelle 4.1. Mindestdicken und Mindestachsenabstände von Stahlbetonstützen aus Normalbeton [DIBt-Richtlinie] ....................... 37 Abbildung 3.5: Ermittlung von v Rd,fi(0) mit Hilfe des Interaktionsdiagramms ............... 39 Abbildung 3.6: Faktor α* [DIN 4102-22].................................................................... 43 Abbildung 3.7: Parameter für die Ermittlung der tabellierten Stützenquerschnitte [Hosser 2005].................................................................................... 44 Abbildung 3.8: Tabelle 31 aus der Anlage 3.1/10 (2007) zu DIN 4102-22 ............... 45 Abbildung 3.9: Erweiterte Tabelle 31 aus der Anlage 3.1/10 (2008) zu DIN 4102-

22 ...................................................................................................... 47 Abbildung 3.10: Lineare Interpolation der Mindestdicken in Abhängigkeit der Stützenlänge [Richter 2007].............................................................. 48 Abbildung 3.11: Verformung der Stütze in innen liegenden Geschossen [Richter

2007] ................................................................................................. 49 Abbildung 3.12: Verformung der Stützen im obersten Geschossen [Richter 2007].... 49 Abbildung 3.13: Ausschnitt aus der neuen Tabelle 31................................................ 55 Abbildung 3.14: Ausschnitt aus der erweiterten Tabelle 31........................................ 56 Abbildung 4.1: Nicht nach DIN 4102 geregelte Stahlbetonstützen ........................... 62 Abbildung 4.2: Tabelle 5.1a zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen [EN 1992-1-2]...................................................... 67 Abbildung 4.3: Verkleinerter Querschnitt einer Stahlbetonstütze [EN 1992-1-2] ...... 73 Abbildung 4.4: Unterteilung einer Wand in Zonen für die Berechnung der Festigkeitsreduktion und a z -Werte [EN 1992-1-2]............................. 74 Abbildung 4.5: Beiwert k c (Θ) zur Berücksichtigung des Abfalls der

charakteristischen Druckfestigkeit (f ck ) von Beton [EN 1992-1-2] ..... 74

Abbildungsverzeichnis 6

Abbildung 4.6: Reduktion des Querschnitts einer Stütze [EN 1992-1-2] .................. 75 Abbildung 4.7: Reduktion der Betondruckfestigkeit [EN 1992-1-2]........................... 76 Abbildung 4.8: Werte für die Hauptparameter der Spannungs-

Abbildung 4.9: Temperaturprofile für R 90 [EN 1992-1-2] ........................................ 77 Abbildung 4.10: Reduktion der charakteristischen Stahlfestigkeit [EN 1992-1-2]....... 77 Abbildung 4.11: Werte für die Parameter der Spannungs-Dehnungsbeziehung von Betonstahl bei erhöhten Temperaturen [EN 1992-1-2] .............. 78 Abbildung 4.12: Berücksichtigung der Verteilung von Bewehrungsstäben im Stützenquerschnitt [Vogelsang 2008] ............................................... 79 Abbildung 4.13: Brandverhalten der Baustoffe [Zehfuß 2004].................................... 83 Abbildung 4.14: Spezifische Wärme von Beton mit quarzhaltigem Zuschlag in Abhängigkeit von Temperatur [EN 1992-1-2] ................................... 86 Abbildung 4.15: Wärmekapazität von Stahl [EN 1993-1-2]......................................... 86 Abbildung 4.16: Thermische Leitfähigkeit von Beton [EN 1992-1-2] .......................... 87 Abbildung 4.17: Thermische Leitfähigkeit von Stahl [EN 1993-1-2]............................ 88 Abbildung 4.18: Thermische Dehnung von Beton [EN 1992-1-2] ............................... 88 Abbildung 4.19: Thermische Dehnung von Stahl [EN 1993-1-2] ................................ 89 Abbildung 4.20: Temperaturverteilung (links) und Isothermen (rechts) in °C

[Column]............................................................................................ 89 Abbildung 4.21: Veränderung des Reduktionsfaktors η fi als Funktion der Einwirkungen Q k,1 / G k [Hosser 2006]................................................ 91 Abbildung 4.22: Temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien von Beton

[Hosser 2006].................................................................................... 92 Abbildung 4.23: Temperaturabhängiger Abfall der Druckfestigkeit von Beton

[EN 1992-1-2].................................................................................... 93 Abbildung 4.24: Temperaturabhängiger Abfall der Zugfestigkeit von Beton

[EN 1992-1-2].................................................................................... 93 Abbildung 4.25: Typisierte temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien von Betonstahl [EN 1992-1-2].................................................................. 94 Abbildung 4.26: Temperaturabhängige Spannungs-Dehnungslinien von Baustahl

[Hosser 2006].................................................................................... 94 Abbildung 4.27: Temperaturabhängige Abnahme des E-Moduls von Stahl

[Müller 2005] ..................................................................................... 95 Abbildung 5.1: Verkrümmungsverlauf der Modelstütze [Avak 2007] ........................ 98 Abbildung 5.2: FE-Netz (Ausschnitt aus dem Ergebnissausdruck) [Column] ......... 100 Abbildung 5.3: Spannungen in einem Rechteckquerschnitt bei zentrischer Belastung (links) und Biegemoment (rechts) [Column]................... 101 Abbildung 5.4: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 6 m;

c nom = 25 mm) ................................................................................. 105 Abbildung 5.5: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 6 m;

c nom = 30 mm) ................................................................................. 108 Abbildung 5.6: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 6 m;

c nom = 35 mm) ................................................................................. 111 Abbildung 5.7: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 4 m;

c nom = 25 mm) ................................................................................. 114 Abbildung 5.8: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 4 m;

c nom = 30 mm) ................................................................................. 117

Abbildung 5.9: Grafische Darstellung von Berechnungsergebnissen (l = 4 m;

c nom = 35 mm) ................................................................................. 120 Abbildung 5.10: Vergleich der Mindestquerschnittsdicken für max l = 6 m und min l = 2 m der erweiterten Tabelle 31 ....................................................... 124 Abbildung 5.11: Vergleich der Mindestquerschnittsdicken der Tabelle 5.1a und der erweiterten Tabelle 31 .............................................................. 125 Abbildung 5.12: Vergleich der Mindestachsabstände der Tabelle 5.1a und der erweiterten Tabelle 31 .................................................................... 125 Abbildung 5.13: Grafische Darstellung der Tabelle 5.5 ............................................ 128 Abbildung 5.14: Ausnutzungsfaktor in Abhängigkeit von dem Verhältnis N Gk /N Qk .... 128 Abbildung 5.15: Erforderliche und vorhandene Bewehrungsmenge unter Brandangriff in Abhängigkeit von Ausnutzungsfaktor ..................... 130 Abbildung 5.16: Brandschutztechnische Einstufung der Stütze mit unterschiedlichen Kaltbemessungsergebnissen............................. 131 Abbildung 5.17: Erforderliche Bewehrungsmenge für Gebrauchs- und Brandfall in

Abbildung 5.18: Einwirkungsmoment und Widerstandsmoment unter

Abbildung 5.19: Längskrafteinwirkung und Bauteilwiderstand unter

Abbildung 5.20: Einwirkungsmoment und Widerstandsmoment unter

Abbildung 5.21: Temperaturverteilungen bei Normbrand für R 90 (links d = 45 mm, rechts d = 55 mm) [Column] ........................................................... 139 Abbildung 5.22: Isothermen für R 90 mit 8 Ø 14 und 4 Ø 20 mit d = 45 mm. Ausschnitt aus dem Ergebnissausdruck [Column].......................... 142 Abbildung 5.23: Erforderliche Bewehrungsmenge für den Gebrauchs- und

Abbildung 5.24: Isothermen für R 90 mit 8 Ø 14 und 4 Ø 20 mit d = 55 mm. Ausschnitt aus dem Ergebnissausdruck [Column].......................... 144 Abbildung 5.25: Erforderliche Bewehrungsmenge für den Brandzustand in Abhängigkeit von Lastfällen und Branddauer ................................. 149 Abbildung 5.26: Ermittlung der Schnittgrößen am unverformten (links) und verformten System [Avak 2007/2]................................................... 150 Abbildung 5.27: Bemessungswerte der Normalkraft in Abhängigkeit von Lastfällen für Gebrauchs- und Heißzustand.................................................... 151 Abbildung 5.28: Feuerwiderstandsdauer in Abhängigkeit von M/N-Verhältnis ......... 151

Tabellenverzeichnis 8   

Tabellenverzeichnis   

Tabelle 2.1:  Gebäudeklassen nach Landesbauordnung LBO 2002  18

Tabelle 2.2:  Aktuelle Normen für Beton und Stahlbeton.  20

Tabelle 2.3:  Maßgebende Normteile der DIN 4102 für die Betonbauweise  20

Tabelle 2.4:  Zuordnung der Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102 zu den  

bauordnungsrechtlichen  Anforderungen nach MBO.  23

Tabelle 2.5:  Arten, Ursachen und Wirkungen von Abplatzungen  bei

normalfestem  Beton.  26

Tabelle 3.1:  Bisherige Entwicklung der tabellarischen Brandschutzbemessung.  32

Tabelle 3.2:  Interpolation der Mindestdicke für R 90, l 2,5 m  56

Tabelle 3.3:  Interpolation des Mindestachsabstandes für R 90, l 2,5 m  56

Tabelle 4.1:  Gleichstellung der Euroklassen mit den Kriterien in Deutschland  63

Tabelle 4.2:  Randbedingungen und Anwendungsgrenzen nach DIN EN 1992-  

1-2.....................................................................................................   67

Tabelle 4.3:  Stahlbetonstütze, Bemessungsbeispiel 3 a  69

Tabelle 4.4:  Pendelstütze, Bemessungsbeispiel 4  80

Tabelle 5.1:  Erforderliche Bewehrungsmenge cm  99

Tabelle 5.2:  Brandschutztechnische Bemessungsverfahren.  102

Tabelle 5.3:  Konstante Parameter  102

Tabelle 5.4:  Untersuchte Parameter.  103

Tabelle 5.5:  Einfluss von N Gk /N Qk auf den Ausnutzungsgrad.  127

Tabelle 5.6:  Lastfallzusammenstellung. Versuchstütze 1.  133

Tabelle 5.7:  Versuchsstütze 1 (l 4 m, d 45 mm, 4 Ø 28)  134

Tabelle 5.8:  Versuchsstütze 1 (l 4 m, d 55 mm, 4 Ø 28)  134

Tabelle 5.9:  Versuchsstütze 1 (l 4 m, d 45 mm, 8 Ø 20)  135

Tabelle 5.10:  Versuchsstütze 1 (l 4 m, d 55 mm, 8 Ø 20)  135

Tabelle 5.11:  Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 2 (d 45 mm)  140

Tabelle 5.12:  Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 2 (d 45 mm)  141

Tabelle 5.13:  Mittlere Stahltemperatur (oberer Wert für d 45 mm, unterer  

Wert  für d 55 mm)  143

Tabelle 5.14:  Lastfallzusammenstellung. Versuchsstütze 3  146

Tabelle 5.15:  Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 3 (d 45 mm)  147

Tabelle 5 16:  Berechnungsergebnisse der Versuchsstütze 3 (d 55 mm)  148

Abkürzungsverzeichnis 9

Abkürzungsverzeichnis

ARGEBAU Arbeitsgemeinschaft für Bau-, Wohnungs- und Siedlungswesen

DIBt Deutsches Institut für Bautechnik

DIN Deutsche Industrienorm

EC Eurocode

ETK Einheitstemperatur-Zeitkurve

FWK Feuerwiderstandsklasse

LTB Liste der Technischen Baubestimmungen

LBO Landesbauordnung

MLTB Musterliste der Technischen Baubestimmungen

NAD Nationales Anwendungsdokument

NA Nationaler Anhang

1 Einleitung 10

1 Einleitung

1.1 Problemstellung

Seit dem 1. Januar 2005 ist die neue DIN 1045-1:2001-07 (DIN 1045-1) die verbindliche Norm für die Bemessung und Konstruktion von Tragwerken aus Stahlbeton. Sie konnte bis Mitte 2004 alternativ zur der alten DIN 1045:1988-07 (DIN 1045) angewendet werden. Nach dem Ablauf der Übergangsfrist wurde die DIN 1045 aus der Bauregelliste gestrichen, woraufhin die Bemessung von Stahlbetonbauteilen ausschließlich nach der DIN 1045-1 durchgeführt werden musste. Die brandschutztechnische Bemessung wurde bisher gemäß DIN 4102-4 geführt, deren Regeln auf dem globalen Sicherheitskonzept der alten DIN 1045 basieren. Aufgrund des neuen Teilsicherheitskonzeptes der DIN 1045-1 können die Regelungen in der DIN 4102-4 nicht unverändert angewandt werden. Dadurch entstanden, vor allem bei dem Nachweis der Feuerwidestandsklassen von Stahlbetonstützen, Übergangsprobleme. Das in der Praxis anerkannte und gewohnte DIN 4102-4-System wurde massiv verändert. Mit der DIN 4102-22 und der DIBt-Richtlinie wurden Verfahren eingeführt, die für den „Normalnutzer“ weitgehend unbekannt sind und deren Anwendung in der Praxis einige Probleme mit sich brachte.

In Europa ist der Prozess der Harmonisierung im Normungsbereich in vollem Gange. Die DIN 4102 wird voraussichtlich 2010 vollständig durch die neuen Eurocodes ersetzt werden. Neben den Nachweisen mittels tabellarischer Daten, die in Deutschland überwiegend angewendet werden, sind in Eurocodes auch vereinfachte und allgemeine Rechenverfahren geregelt. Diese Verfahren waren bisher unüblich.

Die bisher verfügbaren Normen lassen die tabellarische Einstufung von Stahlbetonstützen nur in eingeschränkten Grenzen zu. Stahlbetonstützen (z.B. Kragstützen), die in diesem Sinne nicht geregelt sind, können nur anhand genauerer thermisch-mechanischer Berechnungen in eine bestimmte Feuerwiderstandsklasse eingestuft werden. Diese Rechenverfahren basieren auf allgemeinen physikalischen Grundlagen für den Hochtemperaturbereich und sind in der EN 1992-1-2 geregelt. Aufgrund des stark nichtlinearen Charakters der Eingangsparameter gehen die Verfahren der Heißbemessung über die üblichen Bemessungsverfahren für den Kaltzustand hinaus.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit ist es unter anderem, die brandschutztechnischen Bemessungsverfahren im Einzelnen explizit zu beschreiben und die praktische Anwendung jeweils an einem Beispiel zu demonstrieren.

1 Einleitung 11

Dadurch wird zum einen Übersicht verschafft und zum anderen werden die wesentlichen Unterschiede und Abweichungen zwischen den bisherigen und aktuellen tabellarischen Bemessungsverfahren dargestellt. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei den Randbedingungen und Hintergründen der Einschränkungen.

Neben den tabellarischen Verfahren sind die neuen bisher unbekannten Verfahren nach der EN 1992-1-2 zu erläutern und deren Handhabung zu beschreiben. Dabei ist vertieft auf die Trag- und Verformungsverhalten sowie die bauphysikalischen Grundlagen einzugehen.

Im Rahmen der Parameterstudie sind, Stützen in unverschieblichen Systemen mit den beschriebenen Verfahren, hinsichtlich ihrer Feuerwiderstandsklasse zu beurteilen und die ermittelten Ergebnisse gegenüberzustellen. Darüber hinaus, ist ein verschiebliches System (Eulerfall 1) brandschutztechnisch zu untersuchen. Die wesentlichen Einflussparameter sind dabei zu variieren und die daraus gewonnenen Erkenntnisse zu erläutern.

1.3 Gliederung der Arbeit

Nach einer kurzen Einleitung wird im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit der Begriff des Brandschutzes definiert. Nach der Einordnung des vorbeugenden baulichen Brandschutzes wird auf die gesetzlichen Grundlagen eingegangen. Dabei werden die rechtlichen Rahmenbedingungen in Form von Gesetzen und Verordnungen sowie das nationale Klassifizierungssystem nach der DIN 4102 behandelt. Des Weiteren werden die theoretischen Grundlagen des konstruktiven Brandschutzes erläutert. Es werden dabei unter anderem das Materialverhalten und das Systemverhalten von Stahlbetonstützen bei hohen Temperaturen beschrieben.

Im dritten Teil dieser Arbeit wird die brandschutztechnische Bemessung mit tabellarischen Verfahren nach der DIN ausführlich betrachtet. Schwerpunktmäßig wird der Eulerfall 2 behandelt. Die Eulerfälle 3 und 4 werden lediglich qualitativ untersucht. Nach einem Einblick in die geschichtliche Entwicklung des Brandschutzes werden die einzelnen Verfahren beschrieben. Die praktische Anwendung der beschriebenen Verfahren wird anhand von zwei Beispielen detailliert erklärt und es werden die wesentlichen Unterschiede aufgezeigt.

Der vierte Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die Ausarbeitung der brandschutztechnischen Bemessung nach den europäischen Normen. Neben den tabellarischen Verfahren werden die neuen, bisher unbekannten Verfahren nach der EN 1992-1-2 erläutert und deren Anwendungen an einem Beispiel demonstriert. Dabei werden die Hochtemperatureigenschaften von Beton und Stahl beschrieben und es wird ihr zusammenwirkendes Verhalten vertieft erläutert.

Im Anschluss wird eine Parameterstudie durchgeführt. Einführend wird auf die Stützenbemessung unter Normaltemperatur eingegangen und, die zur Kalt- und Heißbemessung verwendeten Computerprogramme, werden beschrieben.

1 Einleitung 12

Im ersten Teil der Parameterstudie wird eine Pendelstütze (Eulerfall 2) nach allen in dieser Arbeit aufgeführten Verfahren brandschutztechnisch bemessen. Die für den Brandfall maßgebenden Parameter, werden dabei variiert und die Auswirkungen erläutert. Als Beispiel wird eine Hochbaustütze mit den für die Praxis typischen Abmessungen, Einwirkungen und Bewehrungsgraden festgelegt. Anschließend wird eine Parameterstudie für den Eulerfall 1 mit dem allgemeinen Rechenverfahren nach der EN 1992-1-2 durchgeführt. Die Auswirkungen der wesentlichen Einflussgrößen werden in Hinsicht auf Sicherheit und Wirtschaftlichkeit in der Brandschutzbemessung beurteilt und aufgezeigt.

2 Grundlagen 13

2 Grundlagen

2.1 Brandschutz

Jedes Bauwerk ist dem Gefahrenfall „Brand“ ausgesetzt. Aufgabe des Planers ist es, die Grundsätze des Brandschutzes und das jederzeit mögliche Ereignis „Brand“, bereits im Entwurfsstadium zu berücksichtigen. Der Begriff Brandschutz beinhaltet im Allgemeinen alle Maßnahmen zur Vermeidung und zur Minimierung von Brandschäden. Es wird grundsätzlich zwischen abwehrenden und vorbeugenden Brandschutzmaßnahmen unterschieden, jedoch ist die Brandsicherheit, nur als Summe der Beiden vollständig gewährleistet (siehe Abb. 2.1). Die Verminderung einer dieser Maßnahmen muss zwangsläufig eine Erhöhung der Anderen zur Folge haben. Der abwehrende und vorbeugende Brandschutz ist demnach eng miteinander verknüpft.

Abbildung 2.1: Brandschutzmaßnahmen [Kordina 1999]

Der abwehrende, auch aktiver Brandschutz genannt, ist eine Aufgabe der Feuerwehr. Er tritt nur dann in Erscheinung, wenn der vorbeugende Brandschutz bereits in weiten Teilen versagt hat.

Vorbeugender Brandschutz ist der Überbegriff für alle Maßnahmen, die im voraus die Entstehung, Ausbreitung und Auswirkung von Bränden verhindern bzw. einschränken [Bock /Klement 2002].

2 Grundlagen 14

Der vorbeugende Brandschutz gliedert sich formal in folgende Teilbereiche:

• baulicher Brandschutz

• anlagentechnischer Brandschutz

• organisatorischer Brandschutz

In der vorliegenden Arbeit wird vorwiegend der vorbeugende bauliche Brandschutz behandelt.

2.2 Brandablauf

Brände sind physikalische Einflüsse extremer Dimensionen, die durch folgende Erscheinungen charakterisiert werden:

• erhöhte Temperaturen

• Flammen

• Rauch und Brandgase

Der Verlauf eines Brandes wird im Wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt:

• Menge und Art der brennbaren Materialien (Brandlast)

• Konzentration und Lagerungsdichte der Brandlast

• Verteilung der Brandlast im Brandraum

• Geometrie des Brandraumes

• Thermische Eigenschaften, insbesondere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der Bauteile, die den Brandraum umschließen

• Ventilationsbedingungen, die Sauerstoffzufuhr zum Brandraum steuern

• Löschmaßnahmen

2 Grundlagen 15

Beim Ablauf eines Brandes sind folgende Phasen hinsichtlich Temperatur und Zeit zu beobachten:

Abbildung 2.2: Brandphasen [Kordina 1999]

In der Brandentstehungsphase wird zwischen der Zünd- und Schwelbrandphase unterschieden, die nach dem „flash over“ in den voll entwickelten Brand mit Erwärmungs- und Abkühlungsphase übergehen.

„flash over“

Ein explosionsartiger Übergang zum Vollbrand wird als „flash over“ bezeichnet. Durch das kritische Mengenverhältnis des beispielsweise durch das Öffnen einer Tür oder eines Fensters in den Brandraum gelangten Sauerstoffs und einem CO-Gasgemisch kommt es zu einem raschartigen Entflammen. Dies deutet auf Temperaturen in der Größenordnung von 500-600 °C unter der Decke und auf eine Strahlung von 2 W/cm² in Fußbodenhöhe hin.

Die Zündphase

Ein Brand entsteht, wenn genügend Energie auf ein brennendes Material einwirkt. Durch die Zündquellen wie z.B. eine brennende Zigarette oder ein Kurzschluss und das gleichzeitige Vorhandensein eines brennbaren Stoffes kommt es zur Entzündung. Bei der Zündung wird der physikalisch-chemische Prozess der Verbrennung in Gang gesetzt. Der brennbare Stoff oxydiert, d. h. er reagiert mit Sauerstoff unter Freisetzung von Energie. Neben einer ausreichenden Zündtemperatur muss auch das richtige Mischungs- bzw. Mengenverhältnis von einem brennbaren Stoff und Sauerstoff vorliegen, welches bei festen brennbaren Stoffen z. B. durch die Stapeldichte und bei gasförmigen brennbaren Stoffen z. B. durch die Konzentration des Gases beeinflusst wird.

2 Grundlagen 16

Die Schwellbrandphase

Nach der Zündung entwickelt sich im Allgemeinen ein Schwellbrand, dessen thermische Energie in Form von Strahlung und Konvektion andere brennbare Stoffe erhitzt und entzündet. In dieser Phase herrscht Sauerstoffmangel, so dass keine vollständige Verbrennung der brennbaren Stoffe stattfinden kann. Es entsteht unter anderem Kohlenmonoxid (CO), ein hochgiftiges brennbares Gas. Die Charakteristik der Schwellbrandphase ist insbesondere von der Luftzufuhr und von Art, Menge und Verteilung der Brandlast abhängig. So ist bei dicht gelagerten Brandlasten eine dauernde Brandentwicklungsphase zu beobachten, während bei Flüssigkeitsbränden die Schwellbrandphase entfällt, da direkt nach dem Zünden ein „flash over“ erfolgt.

Erwärmungsphase

Während der Erwärmungsphase des Vollbrandes werden die umgebenden Bauteile erhitzt. Sie ist somit, als der eigentliche Brandangriff auf das Bauwerk zu betrachten. Bei dieser Phase sind zwei Erscheinungsformen möglich, ein zuluft- und ein brandlastabhängiger Abbrand.

Beim zuluftabhängigen (ventilationsgesteuerten) Brand wird der Brandablauf durch die verfügbare Luftmenge geregelt und ist nicht in entscheidender Weise von der Brandlastmenge abhängig.

Ein brandlastgesteuerter Brand liegt vor, wenn ausreichende Zuluft zur Verfügung steht. Der Brand wird durch Art, Menge und Verteilung der Brandlasten bestimmt.

Abkühlungsphase

Sobald die Energiemenge des abbrennenden Materials für eine Steigerung oder Aufrechterhaltung der Brandtemperatur nicht mehr ausreicht, kommt es zu der Abkühlphase [Mehlhorn 1997].

2.3 Gesetzliche Grundlagen

In Deutschland werden im Rahmen des Baugenehmigungsverfahrens Anforderungen an den vorbeugenden baulichen Brandschutz von Gebäuden gestellt. Die rechtliche Grundlage bilden die entsprechenden Landesbauordnungen (LBO) der Bundesländer, welche in Anlehnung an die Musterbauordnung (MBO) entstanden sind. Die MBO bildet eine Grundlage für die gesetzlichen Regelungen der Bauordnungen in den Ländern und sichert den formalen Aufbau aller Landesbauordnungen. Die MBO ist nicht rechtsverbindlich, die Bundesländer sind aber gehalten sie weitestgehend in ihre Landesbauordnungen zu übernehmen.

2 Grundlagen 17

Gemäß der Verpflichtung dafür zu sorgen, dass „die öffentliche Sicherheit oder Ordnung, insbesondere Leben und Gesundheit nicht bedroht werden" (§ 3 MBO) regelt § 17 der Musterbauordnung entsprechend:

„Bauliche Anlagen sind so anzuordnen und zu errichten, dass der Entstehung und Ausbreitung von Schadenfeuer im Interesse der Abwendung von Gefahren für Leben und Gesundheit von Menschen und Tieren vorgebeugt wird und bei einem Brand wirksame Löscharbeiten und die Rettung von Menschen und Tieren möglich sind."

Anforderungen an den Schutz von Sachwerten (Gebäude und Inventar) sind im öffentlichen Baurecht nicht geregelt. Allenfalls wird der Schutz von Sachwerten indirekt über die gesetzlichen Vorschriften mit abgedeckt. Seitens der Versicherungsunternehmen können daher zusätzliche Forderungen an den Feuerwiderstand von Bauteilen bzw. an organisatorische und abwehrende Brandschutzmaßnahmen gestellt werden [Reik 2006].

Abbildung 2.3: Übersicht der bauaufsichtlichen Brandschutz-Forderung

2 Grundlagen 18

Die jeweils gültige Landesbauordnung ist die wichtigste Vorschrift. Die Vorschriften der LBO gelten auch dann, wenn bei der Errichtung baulicher Anlagen in der Baugenehmigung nicht auf die Beachtung hingewiesen wird. An der Entstehung der LBO ist die Arbeitsgemeinschaft der für Bau-, Wohnungs- und Siedlungswesen (ARGEBAU) zuständigen Minister der Länder maßgebend beteiligt.

Für „Bauliche Anlagen normaler Art oder Nutzung“ stellt die Landesbauordnung Einzelanforderungen an das Brandverhalten von Bauteilen und Baustoffen in Abhängigkeit von den Gebäudeklassen (siehe Tab. 2.1).

Mit den in Tabelle 2.1 aufgeführten Gebäudeklassen lässt sich das vielfältige Baugeschehen in anderen Bereichen nicht hinreichend erfassen. Bauliche Anlagen mit speziellen Nutzungen oder besonderem Gefahrenpotential werden als „Bauliche Anlagen und Räume besonderer Art und Nutzung“ (siehe Abb. 2.3) bezeichnet und sind in § 51 der MBO als Sonderbauten geregelt.

Tabelle 2.1: Gebäudeklassen nach Landesbauordnung [LBO 2002]

Durch Erlass von Rechtsverordnungen werden die allgemeinen Anforderungen der LBO detailliert beschrieben. Diese lassen sich in zwei Gruppen zusammenfassen:

• Durchführungsverordnungen

• Sonderbauverordnungen

Die Bauvorlagenverordnung und die allgemeine Durchführungsverordnung gehören zu den wichtigsten Durchführungsverordnungen. In der Bauvorlagenverordnung wird festgelegt, welche Unterlagen und in welcher Form einem Antrag auf Erteilung einer Baugenehmigung als Bauvorlage beizufügen sind. Die Allgemeine Durchführungs-verordnung konkretisiert einzelne Bestimmungen der Bauordnung.

In den Sonderbauverordnungen sind bestimmte bauliche Anlagen besonderer Art und Nutzung behandelt, um für ihre Beurteilung einheitliche Kriterien und Maßstäbe zu haben [Bergmeister 2003].

2 Grundlagen 19

Die Landesbauordnungen und Verordnungen werden durch Technische Baubestimmungen (siehe Kap. 2.4) und Verwaltungsvorschriften ergänzt.

Die oben beschriebenen gesetzlichen Anforderungen sind nicht direkt als Gegenstand dieser Arbeit, jedoch als ein wichtiger Bestandteil des Gesamtkonzepts anzusehen. Aus diesem Grund werden diese im Weiteren nicht näher erläutert.

Ein besonderes Augenmerk wird den Technischen Baubestimmungen gewidmet, da sie in direkter Verbindung mit dem Kern der vorliegenden Arbeit stehen. Im folgenden Kapitel wird auf die DIN-Normen, die im Zusammenhang mit der brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen stehen, näher eingegangen. Die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen nach dem deutschen Normenwerk ist im dritten Teil dieser Arbeit vertieft erläutert.

2.4 Technische Baubestimmungen

2.4.1 Allgemeines

Eingeführte Technische Baubestimmungen (TB) sind technische Regeln, die von den Obersten Bauaufsichtsbehörden der einzelnen Bundesländer bauordnungsrechtlich durch öffentliche Bekanntmachung eingeführt sind. Als Technische Baubestimmungen werden nur diejenigen technischen Regeln eingeführt, die zur Erfüllung der Anforderungen des Bauordnungsrechts unerlässlich sind. Die Liste der Technischen Baubestimmungen (LTB) wird vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) erarbeitet. Das DIBt hat die Aufgabe, im Auftrag der Länder die Einführung der LTB vorzubereiten. Die LTB enthält technische Regeln für die Planung, Bemessung und Konstruktion baulicher Anlagen und ihrer Teile.

Vor 70 Jahren bestand die deutsche Brandschutznorm DIN 4102 in ihrer ersten Fassung aus knapp vier Seiten. Seitdem ist die Norm auf über 150 Seiten angewachsen, wobei sie zurzeit aus 23 Teilen besteht und ständig weiter wächst. Dennoch ist mit DIN 4102 erst die Hälfte des geregelten konstruktiven Brandschutzes beschrieben. Seit Mitte der 90er Jahre gibt es in Deutschland die Brandschutzteile der Eurocodes (EC) in Verbindung mit dem jeweiligen Nationalen Anwendungsdokument (NAD) [VDI 2006]. Die brandschutztechnische Bemessung nach Eurocodes wird in Teil 4 dieser Arbeit ausführlich behandelt.

Die Entscheidung, nach welcher Norm die brandschutztechnische Bemessung vorgenommen wird, hängt von den Bemessungsnormen ab, die für die Gebrauchslastfälle verwendet wurden. Die Bemessungsregeln für die Gebrauchslastfälle und den Brandschutz müssen aus der gleichen Normenfamilie (DIN oder Eurocode) kommen, um ein Mischverbot zu vermeiden [Hosser 2006].

2 Grundlagen 20

Tabelle 2.2: Aktuelle Normen für Beton und Stahlbeton

2.4.2 Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102

Die Leistungsfähigkeit von Baustoffen und Bauteilen im Brandfall wird durch ein genormtes Klassifizierungssystem definiert. DIN 4102 „Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen“ enthält alle Vorgaben für die erforderlichen Prüfungen bzw. Beurteilungen sowie die Klasseneinteilung.

Für die Betonbauweise sind im wesentlichen die in Tabelle 2.3 angegebenen Normteile der DIN 4102 von Bedeutung. Die Normteile 1 und 2 legen fest, wie Baustoffe und bestimmte Bauteile zu prüfen sind, damit sie je nach Brennbarkeit den einzelnen Baustoffklassen sowie in Abhängigkeit von der erreichten Feuerwiderstandsdauer den entsprechenden Feuerwiderstandsklassen zugeordnet werden können. Der für die Praxis wichtige Normteil ist DIN 4102-4. Darin ist katalogartig aufgelistet, welcher Baustoff- bzw. Bauteilklasse die verschieden genormten Baustoffe angehören. Für die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen ist ebenfalls Teil 4 der DIN 4102 maßgebend. Die darin genormten tabellarischen Verfahren zur brandschutztechnischen Bemessung von Stahlbetonstützen sind im dritten Teil dieser Arbeit ausführlich erörtert. Zu beachten ist, dass die DIN 4102-4 nur in Verbindung mit der DIN 4102-22 und DIN 4102-4/A1 anzuwenden ist. Die Anwendungsnorm DIN 4102-22 sichert die Anwendbarkeit der DIN 4102-4, auch nach der Bearbeitung der nationalen Bemessungsnormen auf der Basis von Teilsicherheitsbeiwerten. Die DIN 4102-4/A1 beinhaltet Ergänzungen, die durch die zwischenzeitlichen Änderungen der nationalen Produktbemessungsnormen entstanden sind.

Tabelle 2.3: Maßgebende Normteile der DIN 4102 für die Betonbauweise

2 Grundlagen 21

Die einheitlichen Prüfverfahren für Baustoffe sind in der DIN 4102-1 festgelegt. Entsprechend ihres Brandverhaltens werden Baustoffe in Baustoffklassen unterteilt. In DIN 4102-4, Abschnitt 2 sind die Baustoffe aufgeführt, die direkt einer Baustoffklasse zugeordnet werden können. Stahlbeton erhält demnach die Baustoffklasse A1 und ist somit als „nicht brennbar“ einzustufen (siehe Abb. 2.4). Für das Brandverhalten der sonstigen Baustoffe ist ein Verwendbarkeitsnachweis erforderlich.

Abbildung 2.4: Klassifizierung von Baustoffen und Bauteilen nach DIN 4102

Das Brandverhalten von Bauteilen wird im wesentlichen durch die Feuerwiderstandsdauer gekennzeichnet. Mit Beton lässt sich jede Feuerwiderstandsdauer erreichen (F 30 bis F 180). Aus Gründen der Standsicherheit, oder der für den Schallschutz erforderlichen Maßnahmen, stellt sich meistens automatisch eine Feuerwiderstandsdauer von mindestens F 30 ein.

Die Feuerwiderstandsdauer ist die Mindestdauer in Minuten, während der ein Bauteil die Prüfanforderungen der DIN 4102-2 erfüllt, ohne seine Tragfähigkeit zu verlieren. Die Bauteile sind entsprechend der in der Prüfung erreichten Feuerwiderstandsdauer nach der Einheitstemperatur-Zeitkurve (ETK) in Feuerwiderstandsklassen eingeteilt (siehe Abb. 2.5).

Die ETK definiert die einheitlichen und reproduzierbaren Prüf- und Beurteilungsgrundlagen. Der Temperaturanstieg im Brandraum als Funktion der Versuchszeit ist damit für Normbrandversuche festgelegt. Die Abkühlphase ist nicht definiert, da baurechtlich keine Anforderungen zu diesem Zeitpunkt mehr gestellt werden. Die ETK simuliert, unabhängig von Größe und Geometrie des Brandraums, der Brandlasten und der Ventilationsverhältnisse, den voll entwickelten Brand.

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Diese Temperaturzeitkurve wird in vielen Ländern für Brandprüfungen an Bauteilen herangezogen und ist auch für Deutschland in DIN 4102-2 festgelegt [Zehfuß 2004].

Abbildung 2.5: Einheits-Temperaturzeitkurve nach DIN 4102-2

Die ETK beruht auf Brandversuchen mit Holz und Zellulose. Es ist anzumerken, dass die ETK einen realen Brand nur angenähert beschreiben kann. Die Temperaturzeitkurven unterscheiden sich teilweise erheblich in der Höhe der Temperatur und der Dauer des Brandes [Weber 2004]. In dieser Arbeit wird jedoch stets die ETK als Berechnungsgrundlage zu Grunde gelegt.

Zur weiteren Einstufung erhalten die Bauteile eine Zusatzbezeichnung zur Feuerwiderstandsklasse entsprechend dem Brandverhalten ihrer Baustoffe. Die Bauteile, die im Katalog der DIN 4102-4 aufgeführt sind, können direkt einer Feuerwiderstandsklasse zugeordnet werden. Zur Beurteilung des Brandverhaltens der sonstigen Bauteile ist eine Prüfung nach DIN 4102-2 erforderlich.

Die Tabelle 2.2 zeigt die Verknüpfung der Baustoff- und Bauteilanforderungen der Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102 mit den bauordnungsrechtlichen Anforderungen nach MBO.

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Tabelle 2.4: Zuordnung der Feuerwiderstandsklassen nach DIN 4102 zu den bau-

Die Feuerwiderstandsdauer von Bauteilen ist laut DIN 4102-4 Abs. 1.2.1 von folgenden Einflussgrößen abhängig und gilt nur unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen:

• Brandbeanspruchung

• Verwendeter Baustoff oder Baustoffverbund

• Bauliche Ausbildung

• Statisches System

• Ausnutzungsgrad

So sind beispielsweise Stahlbetonstützen in verschieblichen Systemen, wie Kragstützen oder Stützen verschieblicher Rahmen nicht nach DIN 4102, Teil 4 in Feuerwiderstandsklassen einzustufen (siehe Teil 4).

2 Grundlagen 24

Des Weiteren wird zur Klassifizierung der Einzelbauteile in DIN 4102-4, Abschnitt 1.3 vorausgesetzt, dass die anschließenden Bauteile der Gesamtkonstruktion mindestens in derselben Feuerwiderstandsklasse ausgeführt werden.

2.5 Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonstützen

2.5.1 Allgemeines

Stützen sind meist tragende Bauteile eines Tragwerks und daher statisch und brandschutztechnisch von wesentlicher Bedeutung. Eine Stahlbetonstütze ist ein vorwiegend auf Druck belastetes Verbundbauteil aus Beton und Stahl. Das Brandverhalten von Stahlbetonstützen hängt im Wesentlichen von den Einflüssen ab, die auch das Verhalten im Kaltzustand bestimmen:

• Schlankheit

• Planmäßige oder ungewollte Lastausmitten

• Lastausnutzungsgrad

• Bewehrungsanteil

• Lagerungsbedingungen

Die Einflüsse sind eng miteinander verknüpft, wobei sie sich teilweise addieren, teilweise aber entgegengerichtete Wirkungen auslösen.

Stahlbetonstützen sind in der Regel monolithisch mit dem unteren und oberen waagerechten Anschluss-System (Decken oder Unterzüge) verbunden. Durch diesen Effekt gewinnen die Stützen bei der Erwärmung in den Kopf- und Fußbereichen an Steifigkeit, da dort der Aufheizvorgang wegen großer Massigkeit langsamer abläuft. Es stellt sich eine konstruktive Einspannung ein, die das Bauteilverhalten günstig beeinflusst [Mehlhorn 1997].

Bei den geringfügig ausmittig belasteten Stahlbetonstützen tritt das Versagen in den meisten Fällen durch Überschreiten der Betondruckfestigkeit auf. Bei geringeren Bewehrungsgehalten spielt die Bewehrung in der Regel eine untergeordnete Rolle, deshalb werden dem Beton höhere Lastanteile zugewiesen. Bei hohen Bewehrungsgehalten sind beide Baustoffe für das Tragverhalten im Brand gleichermaßen verantwortlich. Dabei wächst der Anteil der durch die Bewehrung aufzunehmenden Druckkraft an. Im Falle eines ausmittigen Lastangriffs am Stützenkopf bzw. einer horizontalen Lastkomponente, z.B. Wind, können in den Randbereichen Biegezugspannungen auftreten, so dass die Bewehrung in diesen Bereichen auch Zugkräfte aufzunehmen hat [Kordina 1999]. In dem Fall spielt die kritische Stahltemperatur im Hinblick auf die Gesamttragfähigkeit eine wichtige Rolle. Der Beton schirmt die Stahleinlagen vor der direkten Beflammung ab und verzögert als schlechter Wärmeleiter die Erwärmung der Bewehrungsstäbe. Aus diesem Grund kommt dem Maß der Betonüberdeckung als isolierende Schutzschicht eine große Bedeutung zu.

2 Grundlagen 25

Die schützende Betonüberdeckung darf aus diesem Grund nicht abplatzen. Das Freiliegen der Bewehrung hätte bei Temperaturen über 500 °C einen fast unmittelbaren Verlust ihrer Funktion als mittragendes Element zur Folge.

2.5.2 Abplatzverhalten

Abplatzungen sind Betonabsprengungen infolge einer Brandbeanspruchung. Es wird zwischen drei Arten von Abplatzungen unterschieden (siehe Tab. 2.5). Abplatzungen gelten als zerstörend, wenn sie eine Verminderung des Querschnitts und je nach Tiefe ein Freilegen der Bewehrung bewirken. Hierdurch kann ein frühzeitiges Versagen der Tragfähigkeit eintreten. Als wesentliche Einflussparameter für das Abplatzverhalten gelten:

• Bauteildicke

• Höhe der Druckspannung

• Betonfeuchtegehalt

• Bewehrungsanordnung

Die Abplatzungen begründen sich im Verdunsten des kapillar gebundenen Restwassers im Beton und sind damit abhängig vom Feuchtegehalt. Explosionsartige Abplatzungen sind nur bei Feuchtegehalten größer als 2 Massenprozent zu erwarten, was dem Regelfall entspricht. Der dabei entstehende Dampfdruck lässt Zugspannungen im Beton entstehen. Wenn diese die Betonzugfestigkeit überschreiten, kommt es zum explosionsartigen Abplatzen der äußeren Betonschichten. Eine weitere Ursache die ebenfalls zu Abplatzungen führt, ist der Dehnungsunterschied bei hohen Temperaturen zwischen Zuschlag und Zementmatrix oder innerhalb inhomogener Zuschläge.

Abbildung 2.6: Abplatzungen bei einer Stütze nach einer Brandeinwirkung

2 Grundlagen 26

Tabelle 2.5: Arten, Ursachen und Wirkungen von Abplatzungen bei normalfestem

Hinsichtlich der notwendigen Maßnahmen zur Vermeidung von zerstörenden Abplatzungen, die ein Versagen verursachen, ist zwischen Normalbetonen (C 20/25 bis C 50/60), hochfesten Betonen und Leichtbetonen zu unterscheiden. Bei Bauteilen, die aus Normalbeton hergestellt werden, reicht eine brandschutztechnische Bemessung nach DIN 4102-4 aus, um zerstörende Abplatzungen zu vermeiden. Dies gilt auch für Bauteile aus hochfestem Beton. Allerdings sind bei Stützen aus hochfestem Beton besondere Maßnahmen erforderlich. Diesem müssen entweder Kunststofffasern zugegeben werden, die bei >100 °C schmelzen und dadurch Kanäle zur Wasserdampfentspannung bilden, oder es ist eine oberflächennahe Schutzbewehrung anzuordnen, die zur Sicherung der Betondeckung für die statisch notwendige Bewehrung dient. Bei Leichtbetonen mit haufwerksporigem Gefüge und bei Porenbetonen treten aufgrund ihrer Porenstruktur keine Abplatzungen im Brandfall auf. Im Allgemeinen können Stahlbetonbauteile, die während eines Brandes im oberflächennahen Bereich durch Abplatzungen geschädigt wurden, z. B. mit Spritzbeton instand gesetzt werden.

2.5.3 Hochtemperaturverhalten von Beton und Stahl

Das Verhalten der Werkstoffe Beton und Stahl bei den im Brandfall erhöhten Temperaturen ist sehr komplex.

2 Grundlagen 27

Die ertragbaren Festigkeiten, insbesondere die Fließgrenze des Stahles, sowie die Druck- und Zugfestigkeit des Betons nehmen mit zunehmender Temperatur deutlich ab.

Nachfolgend werden die wichtigsten Stahl- und Betoneigenschaften in Abhängigkeit von Temperatur behandelt. Die detaillierten Angaben zu thermischen und mechanischen Eigenschaften für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen sind im vierten Teil beschrieben.

Die mechanischen Eigenschaften von Beton bei erhöhten Temperaturen sind von mehreren Faktoren abhängig. Dabei hängt das Materialverhalten stark von der Betonzusammensetzung ab. Hierbei spielt die Art der verwendeten Zuschläge, der Feuchtegehalt und die Dichtigkeit des Betongefüges eine große Rolle. Einen wesentlichen Einfluss haben das Verhalten des Bindemittels und dessen Verbundeigenschaften zu den Zuschlagstoffen. Der Zementstein erfährt mit zunehmender Temperatur zum einen Festigkeitsverluste und zum anderen Schwindverformungen. Das führt zur Auflockerung und Zerstörung des Verbundes zwischen Zementstein und Zuschlag durch Rissbildung. Somit zeigt Beton bei Erwärmung Veränderungen in der Makro- und Mikrostruktur, die zu einem Abfall der Betondruckfestigkeit und einer Erhöhung seiner Verformbarkeit führen.

Normalbeton kann die Temperaturen bis ca. 250°C (Schwellbrandbeanspruchung) hinsichtlich seiner Druckfestigkeit ohne wesentliche Beeinträchtigungen ertragen. Erst bei Temperaturen von etwa 500°C setzen sich starke Stauchungen ein, die bei ca. 700-800°C zum Bruch führen (siehe Abb. 2.7).

Abbildung 2.7: Temperaturabhängiger Spannungs-Dehnungs-Verlauf für Normalbeton [Werner 2006]

Aus der Sicht des Bautechnischen Brandschutzes übernimmt der Beton bei Stahlbeton die Schutzfunktion für die Bewehrung und ist somit das bestimmende Element der be- anspruchten Stahlbetonstütze.

2 Grundlagen 28

Die hohe Leistungsfähigkeit von Beton gegenüber einer Brandbeanspruchung lässt sich mit folgenden Eigenschaften beschreiben. Bei den im natürlichen Brand eintretenden Temperaturen von bis zu 1.000 °C:

• bleibt Beton weitgehend fest,

• trägt nicht zur Brandlast bei,

• leitet den Brand nicht weiter,

• bildet keinen Rauch,

• setzt keine toxischen Gase frei.

Stahl ist in Bezug auf seine Temperatureigenschaften immer skeptisch zu betrachten, da er seine Festigkeit rasch verliert und eine thermische Längenänderung erfährt. Die kritische Temperatur von Stahl beträgt ca. 500 °C. Dabei sinken die Werte für Streckgrenze und Zugfestigkeit auf 50% bis 60% im Vergleich zu denen der Normaltemperatur. Gemäß ETK sind Temperaturen von 400 °C schon nach etwa 2 Minuten erreicht. Überspitzt formuliert ist ungeschützter Stahl aus der Sicht des bautechnischen Brandschutzes eines der schlechtesten Materialien [Werner 2004]. Abbildung 2.6 zeigt das Fließverhalten in Abhängigkeit der Temperaturbeanspruchung als bezogene Streckgrenze von Baustählen.

Abbildung 2.8: Relative Strackgrenze von Baustählen bei Temperaturerhöhung [Kordina 1999]

Kommt es zum durch den Brandangriff ausgelösten Festigkeitsverlust von Stahl im Stützenquerschnitt, muss sich der ursprünglich von der Bewehrung aufgenommene Stützenlastanteil weitgehend auf den Beton umlagern. Mit zunehmendem zur Erhöhung der zulässigen Stützenbelastung erforderlichem Bewehrungsgehalt ist diese Umlagerung größer. Diese Umlagerung führt zu einer Überlastung des in den Stützenrandbereichen durch Temperaturerhöhung geschwächten Betons, wodurch ein vorzeitiges Versagen ausgelöst werden kann. Besonders ungünstig ist dabei eine in den Querschnittsecken konzentrierte Bewehrung, da dort die Erwärmung am schnellsten vorschreitet (siehe Abb. 2.10). Gleichmäßig an den Stützenrändern verteilte Bewehrung verzögert den Effekt.

2 Grundlagen 29

Eine solche Bewehrungsanordnung ist auch eher in der Lage Zugkräfte aufzunehmen, wenn die Momente aus der Theorie 2.Ordnung so großen Einfluss gewinnen, dass auf einer Stützenseite Biegezugspannungen auftreten [Lutz 1997]. Der Einfluss der Bewehrungslage bzw. Verteilung im Querschnitt wird unter anderem im Rahmen der Parameterstudie (siehe Teil 5) untersucht.

Momente aus Theorie 2.Ordnung sind von größerer Bedeutung als bei „kalten“ Systemen. Das liegt an der großen Verformungsfreudigkeit des Betons unter erhöhter Temperatur. Dabei werden beträchtliche seitliche Auslenkungen der Stützen infolge Lastausmitten erzeugt.

Die temperaturabhängige Längenänderung von Beton ist bis etwa 400 °C mit der vom Stahl vergleichbar. Da die Unterschiede bei Normaltemperatur gering sind (vgl. Abb. 2.9), funktioniert das System „Stahlbeton“ ohne größere Eigenspannungen und innere Risse bei Temperaturwechsel. Bei höheren Temperaturen werden die Unterschiede größer und es entstehen innere Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen, die dann zu erheblichen inneren Spannungen führen. Für die typische Temperaturbeanspruchung nach ETK (ca. 1000 °C in 90 Min.) ist es notwendig den Verbund von Stahl und Beton durch eine ausreichende Betonüberdeckung zu sichern. Die kritische Stahltemperatur ist im Bemessungszeitraum von der Grenze Beton-Stahl möglichst fernzuhalten [Werner 2006].

Abbildung 2.9: Temperaturabhängige Längenänderung von Beton und Stahl [Mehlhorn 1997]

2.5.4 Temperaturverteilung im Querschnitt

Wichtigste Voraussetzung für die Beurteilung des Verhaltens von Stahlbetonstützen bei Brandbeanspruchung ist die Kenntnis der Temperaturverteilung im Querschnitt.

2 Grundlagen 30

In der vorliegenden Arbeit wird ausschließlich der ungünstigste Fall (Regelfall), die vierseitige Brandbeanspruchung behandelt.

Entscheidend für das Erreichen der geforderten Feuerwiderstandsdauer ist es, die Durchwärmung des Querschnitts so zu verzögern, dass die Temperatur am Bewehrungsstahl vor Ablauf dieser Frist die kritische Stahltemperatur nicht übersteigt. Eine ausreichende Betondeckung bewirkt den notwendigen Erwärmungsschutz. Für die verschiedenen Feuerwiderstandsklassen sind die notwendigen Querschnittsabmessungen, wie Mindestdicke und die erforderliche Betondeckung für Stahlbetonstützen in DIN 4102-22, Tabelle 31 angegeben.

Aus der Abbildung 2.10 ist es zu erkennen, dass bis zu einer Branddauer von 60 Minuten nur in der Betondeckung Temperaturen herrschen, die zum deutlichen Abfall der Betonfestigkeit führen. Bei längerer Brandeinwirkung verlieren sowohl der Beton in den inneren Bereichen als auch der Betonstahl zunehmend die Festigkeit und der Bauteilwiderstand der Stütze sinkt deutlich. Bei Feuerwiderstandsklassen ≤ R 120 wird der Brandschutznachweis für die Bauteilabmessungen und die Bewehrungsmenge maßgebend [Avak 2007/1].

Abbildung 2.10: Temperaturfelder im Stützenquerschnitt [Avak 2007/1]

Die Geschwindigkeit der Erwärmung ist wesentlich vom Verhältnis der beflammten Oberfläche zum Bauteilvolumen (Profilfaktor) abhängig. Der Bauteilwiderstand ist bei Brandeinwirkung eine Funktion der Zeit R d (t), die infolge der temperaturbedingten Entfestigung sinkt (siehe Abb. 2.11). Die Brandeinwirkung ist auch eine Funktion der Zeit E Ad,fi (t), die infolge der Brandausbreitung und Temperaturerhöhung steigt.

2 Grundlagen 31

Der Schnittpunkt dieser Funktionen beschreibt das rechnerische Versagen bei einem Brandangriff.

Abbildung 2.11: Temperatur- und zeitabhängige Einwirkungen und Widerstände im Brandfall [Avak 2007/1]

3 Brandschutzbemessung nach DIN 32

3 Brandschutzbemessung nach DIN

3.1 Geschichtlicher Abriss

Im Sommer 2001 wurde die neue DIN 1045-1 bauaufsichtlich eingeführt. Eine alternative Bemessung von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen mit der alten DIN 1045 war während der Übergangszeit jedoch erlaubt. Ab Mitte 2004 wurde die alte DIN 1045 aus der Musterliste der Technischen Baubestimmungen (MLTB) gestrichen und seitdem muss die Bemessung für Gebrauchslastfälle ausschließlich nach DIN 1045-1 durchgeführt werden. Diese Ablösung führte auch zu Änderungen bei der brandschutztechnischen Bemessung. Insbesondere gab es Übergangsprobleme bei dem Nachweis der Feuerwiderstandsdauer von Stahlbetonstützen.

Der Nachweis des konstruktiven Brandschutzes, deren Regeln auf dem globalen Sicherheitskonzept der alten DIN 1045 basieren, wurde bisher gemäß DIN 4102-4 geführt. Aufgrund des neuen Sicherheitskonzeptes (semiprobabilistisches Teilsicherheitskonzept) der DIN 1045-1 können die Regelungen in DIN 4102-4 nicht unverändert angewendet werden. Aus diesem Grund ergab sich kurzfristig die Notwendigkeit eine Übergangsregelung zu erstellen, um die brandschutztechnische Bemessung nach DIN 4102-4 und die Bemessung für Gebrauchslastfälle aufeinander abzustimmen (siehe Kap. 3.4).

Die einzelnen Etappen sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich. In diesem Teil der Arbeit werden die Verfahren vorgestellt und jeweils an einem Beispiel erläutert.

Tabelle 3.1: Bisherige Entwicklung der tabellarischen Brandschutzbemessung

3 Brandschutzbemessung nach DIN 33

3.2 Bemessung nach DIN 4102-4

Wie in Kapitel 3.1 beschrieben, ist die brandschutztechnische Bemessung von Stahlbetonstützen aus Normalbeton (B 15 bis B 55), die im Kaltzustand nach dem alten Normenwerk DIN 1045 bemessen wurden, nach DIN 4102-4 durchzuführen. Stützen aus hochfestem Beton (bis C100/115) sind in der DIN 4102-4/A1 geregelt. Der Nachweis der Feuerwiderstandsdauer erfolgt über die Tabelle 31 aus DIN 4102-4 (siehe Tab. 3.2). Die Werte der Tabelle 31 sind durch Brandversuche ermittelt und durch theoretische Untersuchungen abgesichert. Für die theoretischen

Untersuchungen und für die Brandversuche wurde die zulässige Beanspruchung nach DIN 1045 ermittelt. Tabelle 31 enthält in Abhängigkeit von dem Ausnutzungsfaktor α 1 = 0,3 bis α 1 = 1,0 die Mindestdicken für die Feuerwiderstandsklassen von F 30 bis F 180. Der Ausnutzungsfaktor α 1 ist als Verhältnis der vorhandenen Beanspruchung zu der zulässigen Beanspruchung (1/γ-fache rechnerische Bruchlast) nach DIN 1045 definiert [Hosser 2005]. Der somit maßgebliche Eingangsparameter bei der Anwendung der Tabelle 31 ist in DIN 4102-4, Abschnitt 3.13.2.2 wie folgt definiert:

α = N/ N

1 vor h z u l

Mindestachsabstand ist der kleinste Abstand der Bewehrung zur beflammten Bauteiloberfläche. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Stahl wird angenommen, dass die Oberflächentemperatur eines in dem Beton liegenden Bewehrungsstabes gleich der in der Achse ist (siehe Abb. 3.1).

Abbildung 3.1: Achsabstand der Bewehrung [Kordina 1999]

Aus diesem Grund wird bei der Brandschutzbemessung der Mindestachsenabstand u anstelle der Betondeckung c nom verwendet und ist wie folgt zu berechnen:

∅ ∅ u = c + + /2

nom Bü St