Bemessung von Stahlkonstruktionen im Brandfall nach dem Naturbrandkonzept
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Philipp Müller-Donges
- Abgabedatum: Oktober 2000
- Umfang: 130 Seiten
- Dateigröße: 1,2 MB
- Note: 1,0
- Institution / Hochschule: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-3026-9
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-3026-9 P - ISBN (CD) :978-3-8324-3026-9 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Müller-Donges, Philipp Oktober 2000: Bemessung von Stahlkonstruktionen im Brandfall nach dem Naturbrandkonzept, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Bauordnungen, Tragkonstruktion, DIN 18230, Naturbrand
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Diplomarbeit von Philipp Müller-Donges
Einleitung:
Der Einsatz von Stahlkonstruktionen zur Erstellung von Gebäuden, die brandschutztechnische Anforderungen erfüllen müssen, ist sehr unwirtschaftlich, weil sie für den Brandfall nicht realitätsnahe bemessen werden können.
Der Nachweis ausreichender Standsicherheit von Tragkonstruktionen im Brandfall erfolgt zur Zeit durch Klassifizierung von Bauteilen unter Zugrundelegung der Einheitstemperaturkurve. Diese Klassifizierung durch Bauteilversuche hat zur Folge, dass Stahlkonstruktionen in der Regel nicht ungeschützt zur Erstellung eines Bauwerkes eingesetzt werden können. Der erforderliche Schutz der Stahlbautragwerke in Form von Brandschutzverkleidung oder Beschichtung führt zur Unwirtschaftlichkeit von Stahlkonstruktionen. Nicht selten sind die Kosten der Schutzmaßnahmen vergleichbar hoch wie die der gesamten Stahlkonstruktion.
Die Klassifizierung von Bauteilen unter Zugrundelegung der Einheitstemperaturkurve berücksichtigt nicht die Randbedingungen unter denen sich ein Brand entwickelt und ausbreitet. Die Einheitstemperaturkurve verhält sich wie ein Brand, dem unendlich viel Brennstoff zur Verfügung steht. Ein solches Brandszenario führt jedoch zu sehr konservativen und unrealistischen Anforderungen an eine Tragkonstruktion. Diese Anforderungen sind besonders für Stahlkonstruktionen sehr ungünstig, weil normaler Baustahl ab einer Bauteiltemperatur von ca. 550 °C seine Tragfähigkeit verliert.
Auf europäischer Ebene werden seit einiger Zeit Bemessungsverfahren, die einen rechnerischen Nachweis der Standsicherheit im Brandfall ermöglichen, entwickelt. Sie basieren auf statistischen Auswertungen realer Brandereignisse und einer Vielzahl von Versuchen und Parameterstudien und berücksichtigen damit die tatsächlich zu erwartenden thermischen Einwirkungen (Naturbrand-Einwirkungen) im Brandfall. Bei der Bestimmung dieser Naturbrand-Einwirkungen werden auch aktive Brandschutzmaßnahmen, wie vorhandene Sprinkleranlagen, berücksichtigt. Dies führt zu brandschutztechnisch sichereren Gebäuden, weil die so erforderlichen aktiven Brandschutzmaßnahmen für die Sicherheit der Gebäudenutzer höher zu bewerten ist als eine brandschutzverkleidete Tragkonstruktion, die 90 min Einheitstemperaturkurveneinwirkung widerstehen kann.
In der vorliegenden Arbeit sind die europäischen Forschungsergebnisse ausgewertet worden und auf ihrer Grundlage ist ein Bemessungsrichtlinien-Vorschlag entworfen worden. Dieser Richtlinien-Vorschlag umfasst die Brandeinwirkungen nach Naturbrandkonzept und Nachweise der Standsicherheit von Stahlkonstruktionen. Weiterhin wurden Bemessungshilfen entwickelt, die die Anwendung des Richtlinien-Vorschlages unterstützen und eine leichte Abschätzung der erforderlichen Brandschutzmaßnahmen in der Entwurfs- und Angebotsphase einer Baumaßnahme ermöglichen.
Mit diesen rechnerischen Bemessungsverfahren kommt es zu zum einen zu einer höheren Sicherheit für die Gebäudenutzer und zum anderen zu einer wirtschaftlicheren Bemessung von Stahlkonstruktionen im Brandfall.
Inhaltsverzeichnis:
| 1. | Einleitung | 1 |
| 2. | Überblick über die vorhandenen bauaufsichtlichen Anforderungen und Bemessungsregeln | 3 |
| 2.1 | Vorgaben der Bauordnungen und Richtlinien | 3 |
| 2.2 | DIN 4102 | 5 |
| 2.3 | Industriebaurichtlinie und DIN 18230 | 6 |
| 2.4 | Europäische Regelungen | 12 |
| 2.4.1 | Eurocode-Brandschutzteile | 15 |
| 2.4.1.1 | EC1 Teil 2-2(Brandeinwirkungen auf Tragwerke) | 16 |
| 2.4.1.2 | EC3 Teil 1-2(Tragwerksbemessung von Stahlbauten im Brandfall) | 24 |
| 3. | Naturbrandsicherheitskonzept „Natural Fire Safety Concept“ | 31 |
| 3.1 | Ziel des Naturbrandsicherheitskonzepts | 31 |
| 3.2 | Aufbau und Ablauf des Naturbrandsicherheitskonzeptes | 31 |
| 3.3 | Brandmodelle | 34 |
| 3.3.1 | „One Zone“ Modelle | 36 |
| 3.3.2 | „Two Zone“ Modelle | 38 |
| 3.4 | Äquivalente Branddauer | 39 |
| 3.5 | Brandcharakteristika für die Bemessung mit Naturbränden | 40 |
| 3.6 | Statistische Untersuchungen und ihre Berücksichtigung zur Bestimmung derBemessungsbrandlast | 44 |
| 4. | Erstellung der Bemessungsrichtlinie | 47 |
| 4.1 | Konzept der Bemessungsrichtlinie | 47 |
| 4.2 | Grundlagen | 48 |
| 4.3 | Werkstoffe | 50 |
| 4.4 | Einwirkungen | 51 |
| 4.5 | Berechnung der Bauteilerwärmung | 55 |
| 4.6 | Nachweis der Standsicherheit | 56 |
| 5. | Überprüfung des erstellten Richtlinien-Vorschlages | 59 |
| 5.1 | Gebäudebeschreibung | 59 |
| 5.2 | Einwirkungen | 61 |
| 5.2.1 | Mechanische Einwirkungen | 61 |
| 5.2.2 | Naturbrand-Einwirkungen | 64 |
| 5.3 | Nachweis der Standsicherheit | 70 |
| 6. | Bemessungshilfen | 71 |
| 6.1 | Betrachtete Konzepte | 71 |
| 6.2 | Gewählte Konzepte | 72 |
| 6.2.1 | Naturbrandbemessungsdiagramme | 72 |
| 6.2.2 | Äquivalente Branddauermethode und „NFSC“ | 79 |
| 7. | Zusammenfassung und Ausblick | 83 |
| 8. | Literaturverzeichnis | 86 |
| Anhang A - Richtlinien-Vorschlag | ||
| Anhang B - Bemessungshilfen (Bemessungsdiagramm und Excel-Arbeitsblatt) |
Wärmeübertragung auf die Stahlkonstruktion Um den Einfluß der mit den Brandsimulationsmodellen ermittelten Temperatur- Zeitkurven auf eine Stahlkonstruktion zu bestimmen, ist es notwendig, den Wärmestrom zu diesen Stahlelementen zu berechnen. Wie in Abschnitt 2.4.1.1 schon genau beschrieben wurde, setzt sich der Wärmestrom aus Konvektion und Strahlung zusammen. Strahlung Von der Brandstelle aus werden Wärmestrahlen ausgesandt, die je nach Emissionsvermögen der Bauteiloberfläche absorbiert oder reflektiert werden. Die Emissivität der Oberfläche wird durch den Emissionswert 0 beschrieben. 0 kann zwischen 0 und 1 liegen. Dabei bedeutet 0 = 0 die totale Reflexion und 0 = 1 die totale Absorbtion ( lt. Kischhoff‘schem Gesetz gilt Emissionswert = Absorbtionswert) der Wärmestrahlung. Konvektion Unter Konvektion wird der Wärmeaustausch der am Bauteil vorbeistreichenden Luft mit der Bauteiloberfläche verstanden. Im Brandfall liegt i.d.R. „freie Konvektion“ vor. Da heißt, daß das Vorbeistreichen der Luft nicht wie bei der „erzwungenen Konvektion“ durch z.B. einen Ventilator erzwungen wird. Dieser komplexe Vorgang des Wärmeaustausches wir durch den Wärmeübertragungskoeffizienten c beschrieben. Er ist im EC 1-2.2 (4.2) festgelegt. Innerhalb des Bauteils wird die Wärme durch Wärmeleitung (EC 3-1.2 (3.3.1.3)) transportiert. [...]
Die Fläche unter der Abbrandratenkurve ist aber immer die gleiche, sie entspricht der verfügbaren Brandlast. Ein typisches Feuer beginnt klein und durchläuft eine Wachstumsphase. Zwei Dinge können während dieser Wachstumsphase in Abhängigkeit der Sauerstoffversorgung des Feuers passieren. Entweder die Abbrandrate ist durch die verfügbare Brandlast begrenzt, dann handelt es sich um ein brandlastgesteuertes Feuer; oder die Größe der Öffnungen ist so klein, dass dem Feuer nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, dann wird die Abbrandrate von dem vorhandenen Sauerstoff limitiert und es handelt sich um ein ventilationsgesteuertes Brandszenario. Im Rahmen der Arbeit der „Working Group 3 werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Abbrandrate vorgestellt. Wenn keine entsprechenden Versuchergebnisse vorliegen, schlägt das [...]
Brandlasten Die in einem Gebäude bzw. Brandabschnitt vorhandene Brandlast spielt für die Brandsimulation ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Brandlastmenge ([kg]), ihr Heizwert ([MJ/kg]) und der Faktor m für das Brandverhalten eines Materials beeinflussen die Dauer und die Intensität eines Brandes. Die Ermittlung der vorhandenen Brandlast kann durch das einfache Summieren der verschiedenen Brandlasten in einem Brandabschnitt erfolgen. Bei Gebäuden, die noch in der Planung sind, ist dies nicht möglich und die Brandlast kann nur abgeschätzt werden. Im Zuge des „NFSC“ wurden statistische Betrachtungen zu Brandlastenverteilung in unterschiedlichen Gebäudearten gemacht. Das Ergebnis sind 80%, 90% und 95% Fraktilwerte für Brandlasten qk,f in [MJ/m²], nach Nutzungsarten kategorisiert. Brandszenario / Abbrandrate Die Brandlast alleine definiert die verfügbare Energie. Die Gastemperatur im Brandabschnitt ist aber nicht nur von der verfügbaren Energie, sondern auch von der Rate, in der diese Energie abgegeben wird, abhängig. Ein Brand mit der gleichen Brandlast kann sehr schnell und heiß, aber auch schwelend und langsam verlaufen, je nachdem, welche Abbrandrate, oder auch Rate of Heat Relase (RHR) genannt, ihm zu Grunde liegt (siehe Bild 3.6). [...]
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Link zur Arbeit:
http://www.diplom.de/ean/9783832430269
Arbeit zitieren:
Müller-Donges, Philipp Oktober 2000: Bemessung von Stahlkonstruktionen im Brandfall nach dem Naturbrandkonzept, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte:
Bauordnungen, Tragkonstruktion, DIN 18230, Naturbrand
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