Ingenieurmethoden: Beurteilung von Bestandsbauteilen

Für den Nachweis der Feuerwiderstandsfähigkeit von Bestandsbauteilen ist der tabellarische Nachweis oftmals unmöglich, sodass Ingenieurmethoden angewandt werden müssen. Herausforderungen dabei sind oft die historischen Materialien, geringen Bauteilabmessungen und die Wahl plausibler Annahmen für die Eingangswerte der Bemessung.

Beurteilung von Bestandsbauteilen
Abb. 1: Temperaturverteilung im Querschnitt der WIRUS-Decke zur 30. Minute unter ETK (Bild: hhpberlin)

März 2018 / Von Dr. Karen Paliga. Die brandschutztechnische Bemessung von Bauteilen erfolgt i.d.R. mit den Eurocodes, die neben dem tabellarischen Verfahren das vereinfachte bzw. das allgemeine Verfahren bieten, um eine Heißbemessung durchzuführen. Voraussetzung dafür sind Kenntnisse über das Materialverhalten, die Randbedingungen für die Brandeinwirkung und das Verhalten ggf. vorhandener Bekleidungen.

In diesem Beitrag werden Praxis-Beispiele für die Anwendung der vereinfachten und allgemeinen Rechenverfahren für verschiedene Bestandsbauteile vorgestellt. Dabei werden verschiedene Brandeinwirkungen sowie unterschiedliche Baustoffe berücksichtigt sowie typische Probleme dargelegt.

Die Forderungen nach den erforderlichen Feuerwiderstandsklassen der nachzuweisenden Bauteile kann i.d.R. aus dem Brandschutznachweis bzw. den entsprechenden baurechtlichen Grundlagen entnommen werden. Der Nachweis dieser geforderten Feuerwiderstandsklasse kann u.a. mithilfe tabellarischer Daten (Ebene 1), des vereinfachten Rechenverfahrens (Ebene 2) oder des allgemeinen Rechenverfahrens (Ebene 3) erfolgen. Grundlage bilden hier die Eurocodes.

Die allgemeinen Rechenverfahren weisen im Wesentlichen immer die gleiche Vorgehensweise auf: Zunächst wird das maßgebende Brandszenario und damit der Brandort sowie die anzusetzende Brandlast festgelegt. Daraus wird im nächsten Schritt die Brandeinwirkung in Form eines Temperatur-Zeit-Verlaufs ermittelt – ggf. unter Zuhilfenahme von einfachen Rechenmodellen oder auch von Brandsimulationen. Alternativ kann der Nachweis mithilfe der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) erfolgen, diese wird für den Nachweis der bauordnungsrechtlich geforderten Feuerwiderstandsklassen verwendet. Der Nachweis mithilfe des Naturbrandes stellt einen gleichwertigen Nachweis dar, bei dem die möglichen Brandereignisse mit abgedeckt werden müssen. Dies ist jedoch eine Abweichung, die bei der zuständigen Behörde beantragt werden muss. Infolge der Brandbeanspruchung wird die Temperaturverteilung im betrachteten Bauteil bzw. Tragwerk mithilfe einer thermischen Analyse ermittelt. Zuletzt wird das Trag- und Verformungsverhalten der erwärmten Konstruktion mit einer mechanischen Analyse bestimmt und der Nachweis der Standsicherheit im Brandfall geführt.

Der vollständige Artikel ist in Ausgabe 1.2018 des FeuerTRUTZ Magazins (Januar 2018) erschienen.
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Beispiel: Stahlbeton-Durchlaufträger

Beurteilung von Bestandsbauteilen: Momentenverteilung der WIRUS-Decke
Abb. 2: Momentenverteilung zur 0. Minute (oben) und zur 10. Minute (unten) der WIRUS-Decke (Bild: hhpberlin)

Bei der brandschutztechnischen Sanierung eines Bürogebäudes sollte die Feuerwiderstandsdauer der bestehenden Decken ermittelt werden. Es handelte sich um eine Stahlbeton-Rippendecke ohne Hohlkörper (WIRUS-Decke). Die Schalung bestand aus verformten Holzfaserplatten. Unterseitig wurde Holz als Unterkonstruktion für die abgehängte Decke angebracht. Bei der Decke handelte es sich um einen Durchlaufträger mit einer Länge von ca. 16 m. Die Betondeckung der Bewehrung betrug ca. 10 mm. Die Rippendecke sollte gemäß den Anforderungen in die Feuerwiderstandsklasse F 30 bzw. REI 30 eingestuft werden.

Die brandschutztechnische Bemessung der Tragwerksteile erfolgte auf Grundlage der Einheits-Temperaturzeitkurve. Die anschließende brandschutztechnische Bemessung des Tragwerks erfolgte mit dem allgemeinen Rechenverfahren nach [1]. Die Berechnungen wurden mit dem Programm Sofistik durchgeführt. Dazu wurden zunächst die Temperaturen bei einer Brandbeanspruchung von unten ermittelt und ausgewertet (s. Abbildung 1). Dabei wurde die Holzbekleidung vernachlässigt, da über das Verhalten der Befestigung der Holzbekleidung unter Brandbeanspruchung keine Angaben vorhanden waren. Bei einer Brandbeanspruchung von oben wurden aufgrund des Estrichs nur geringe Temperaturen festgestellt.

Im nächsten Schritt wurde eine mechanische Analyse durchgeführt. Dabei versagte die Konstruktion wegen der Entwicklung des Momentenverlaufs zu Beginn des Brandes kurz nach der 10. Minute. Infolge der Brandbeanspruchung von unten verschiebt sich die Momentenlinie zunehmend in den negativen Bereich, sodass das Moment im Feld sinkt und oberhalb des Auflagers ansteigt (s. Abbildung 2). Damit verlängert sich der Bereich der Rippendecke, der durch ein negatives Moment belastet wird. Da die Bewehrung nur im Bereich der Auflager angeordnet ist und damit nicht den gesamten Bereich des negativen Momentes abdeckt, tritt das Versagen des Trägers ein.

Dies stellt ein häufiges Problem bei durchlaufenden Stahlbetondecken im Bestand dar. Aufgrund des Versagens vor der 30. Minute konnte die Rippendecke bei einer Brandbeanspruchung von unten in keine Feuerwiderstandsklasse eingestuft werden und musste ertüchtigt werden.

Beispiel: Plattenbalkendecke

Beurteilung von Bestandsbauteilen: Plattenbalkendecke mit Bekleidung
Abb. 3: Plattenbalkendecke mit Bekleidung (Einfeldträger) (Bild: hhpberlin)

Eine Plattenbalkendecke in einem Bürogebäude musste gemäß Brandschutznachweis in die Feuerwiderstandsklasse F 90/REI 90 eingestuft werden. Die Stahlbetondecke (s. Abbildung 3) wies eine nicht geschlossene Unterdecke, die an einer Holzlattung unterhalb der Rippen befestigt war, auf. Die Decke war als Einfeldträger ausgeführt. Als Brandeinwirkung war die Einheits-Temperaturzeitkurve zu verwenden. Die Unterdecke sowie die Holzlattung konnten aufgrund der Befestigung und Öffnungen in der Unterdecke nicht berücksichtigt werden. Die Betondeckung war nur ca. 10 mm stark.

Die thermische und mechanische Analyse wurde mit Sofistik durchgeführt, dabei wurde u.a. die Durchbiegung über die Branddauer ermittelt.

Beurteilung von Bestandsbauteilen: Durchbiegung des Einfeldträgers
Abb. 4: Durchbiegung des Einfeldträgers (Plattenbalkendecke) über die Branddauer unter ETK (Bild: hhpberlin)

Da im Eurocode keine Versagenskriterien vorgegeben werden, wurde in Anlehnung an [2] auf die Versagenskriterien nach [3] und [4] zurückgegriffen, die die Grenzwerte für die Durchbiegung bzw. Durchbiegungsgeschwindigkeit enthalten. Es wurde angenommen, dass bei Erreichen eines der Kriterien die Feuerwiderstandsfähigkeit des Tragsystems erschöpft ist. Demnach wurde die zulässige Durchbiegung zur 40. Minute überschritten (s. Abbildung 4). Damit wurde die Decke in die Feuerwiderstandsklasse feuerhemmend eingestuft. Problematisch war in diesem Beispiel die Beurteilung der abgehängten Decke im Brand sowie der geringe Achsabstand.

Wegen der Diskrepanz zwischen der erforderlichen und der vorhandenen Feuerwiderstandsklasse der Decke wurde im Rahmen des Brandschutznachweises als Kompensation eine Brandmeldeanlage gefordert. Die Decke selbst verblieb ohne weitere Ertüchtigungsmaßnahmen erhalten. […]

Weiterlesen? Der vollständige Artikel ist in Ausgabe 1.2018 des FeuerTRUTZ Magazins (Januar 2018) erschienen und enthält weitere Beispiele (Kappenträger und Historisches Stahltragwerk), eine Übersicht der Probleme, die sich bei der Bemessung von Bestandsbauteilen im Brandfall ergeben, sowie ein Fazit.
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Autorin

Dr.-Ing. Karen Paliga: Sachverständige für vorbeugenden Brandschutz bei hhpberlin am Standort Braunschweig; widmet sich insbesondere der Entwicklung und Anwendung von Ingenieurmethoden im Brandschutz

Literatur

[1] DIN EN 1992-1-2: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1-2: ­Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall, Dezember 2010

[2] vfdb-Leitfaden „Ingenieurmethoden des Brandschutzes“, vfdb, Technischer Bericht TB 04/01, 3. Auflage, November 2013

[3] DIN EN 13501-2: Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten – Teil 2: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Feuerwiderstandsprüfungen, mit Ausnahme von Lüftungsanlagen, Februar 2010

[4] Twilt, L et al.: Design tools for the behaviour of multi-storey steel framed buildings exposed to natural fire conditions. Cardington (2) final report, TNO ­report 2003-CVB-R0088, Final Report Agreement 7210-PA, PB, PC, PD-112, 2002

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Letzte Aktualisierung: 14.03.2018

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