Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand

Die Verwendung von Holz in Massivbaudecken bietet eine ökologische und statisch effiziente Alternative zu Stahlbetondecken. Dieser Beitrag stellt die brandschutztechnische Bemessung von Holz-Beton-Verbunddecken durch Naturbrandverfahren vor, um die Gleichwertigkeit mit einer feuerbeständigen Bauweise zu zeigen.

Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand
Abb. 1: Versuchsaufbau der HBV-Deckenbauteile im Bauteilofen (Grafik: Steeger/Dienst/Kampmeier)

August 2020 / Von Felix Steeger, Sebastian Dienst, Prof. Dr. Björn Kampmeier. Aufgrund von Schallschutzanforderungen und im mehrgeschossigen Gebäudebau vor allem aus Gründen des Brandschutzes haben sich in den letzten Jahrzehnten Stahlbetondecken durchgesetzt. Allerdings ist die Verwendung von Beton ein maßgebender Faktor in der Diskussion zum nachhaltigen Bauen. Zum einen erfordert Beton einen massiven Rohstoffabbau von Sand [1], der sowohl zur Herstellung des Betons als auch für den Zement benötigt wird. Weiterhin wird dem Zement ein Anteil von 8 % am weltweiten CO2-Ausstoß zugerechnet [2].

Im Hinblick auf ein nachhaltiges und ressourcenschonendes Bauen bietet die Verwendung von Holz zur Reduzierung von Stahl und Beton in Massivbaudecken eine ökologische und statisch effiziente Alternative.

Der vollständige Artikel ist in Ausgabe 3.2020 des FeuerTrutz Magazins (Juli 2020) erschienen.
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Holz-Beton-Verbundbauweise

Die Holz-Beton-Verbundbauweise (HBV) bietet besonders für Deckenbauteile einige Vorteile. Entwickelt wurde diese Bauweise, um bestehende Holzdecken mithilfe eines zusätzlichen Überbetons zu ertüchtigen. Durch die Verbundbauweise werden die Tragfähigkeit, das Schwingungsverhalten und infolgedessen auch der Schallschutz der Decke verbessert.

Die Deckenlasten werden in der obenliegenden Betonschicht als Druckspannungen und in der unteren Holzschicht als Zugspannungen aufgenommen. Maßgebend für die Funktionalität einer HBV-Decke ist die Herstellung der Verbundwirkung zwischen der Holz- und der Betonschicht. Dieser Verbund kann durch Verbindungsmittel wie Schrauben und Schienen oder die Ausbildung von Kerven in der Holzschicht gewährleistet werden. HBV-Decken werden von Bauherren im mehrgeschossigen Büro- und Wohnungsbau zunehmend auch aus ästhetischen Gründen gewünscht, da das Holz an der Deckenunterseite ggfs. sichtbar verbleiben kann und den Wohnkomfort fördert.

Zudem stellt die durchgehende Ortbetonschicht eine zuverlässige rauchdichte Ebene dar.

Der Verwendung einer HBV-Decke stehen dennoch vor allem brandschutztechnische Anforderungen entgegen. Sie ist in Deutschland nur in den Gebäudeklassen 1 bis 3 uneingeschränkt zulässig. In den meisten Bundesländern ist ihre Verwendung in den Gebäudeklassen 4 und 5 jedoch aufgrund der Anforderungen nach hochfeuerhemmenden und feuerbeständigen Deckenbauteilen nur auf der Grundlage einer bauordnungsrechtlichen Abweichung möglich. Diesen Feuerwiderstandsklassen liegen Bauteilprüfungen mit einem Brandverlauf nach der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) zugrunde. Für feuerbeständige Bauteile wird entsprechend Musterbauordnung [3] gefordert, dass die tragenden und aussteifenden Teile aus nichtbrennbaren Baustoffen bestehen. Bei raumabschließenden, feuerbeständigen Bauteilen wird außerdem eine in Bauteilebene durchgehende Schicht aus nichtbrennbaren Baustoffen gefordert.

Damit wird indirekt angenommen, dass sich diese Bauteile nicht am Brand beteiligen und der reale Brand, der bei üblichen Brandlasten in etwa der Intensität des Brandverlaufs einer 60- bis 80-minütigen ETK-Beanspruchung entspricht, auch ohne Löschangriff der Feuerwehr überstanden wird [4]. Eine Alternative zur Brandschutzbemessung auf der Grundlage der ETK bietet die DIN EN 1991-1-2 [5] einschließlich nationalen Anhangs [6] mit der brandschutztechnischen Auslegung und Beurteilung von Bauteilen und Tragwerken mittels Naturbrandverfahren.

Naturbrandnachweis nach Eurocode 1-1-2

Bei diesem Naturbrandnachweis wird ein wahrscheinlicher Brandverlauf in einer konkreten Brandraumgeometrie unter Berücksichtigung der vorhandenen Brandlasten und Ventilationsbedingungen sowie der anlagentechnischen und abwehrenden Brandschutzmaßnahmen ermittelt. Im Gegensatz zur Bestimmung der Feuerwiderstandsklasse eines Bauteils mit ETK, bei der der Funktionserhalt über einen Zeitverlauf gewährleistet wird und das anschließend unmittelbar versagen kann, erfolgt der Naturbrandnachweis über die gesamte Branddauer, einschließlich der Abkühlphase.

Dies ist im Besonderen bei der Verwendung brennbarer Baustoffe zu berücksichtigen. Einerseits erhöht sich die dem Brand zur Verfügung stehende Brandlast um den brennbaren Anteil des Bauteils. Andererseits muss nachgewiesen werden, dass die brennbaren Baustoffe, nach dem Aufbrauchen der Brandlasten aus dem Brandraum, selbst verlöschen, oder das Bauteil nach dem Aufbrauchen seiner brennbaren Anteile weiterhin seine Funktionen erfüllt. Für die HBV-Decke bedeutet dies, unter der konservativen Annahme, dass die Holzschicht während des Brandes vollständig abbrennt, dass der verbleibende Betonquerschnitt der Decke so dimensioniert ist, dass er die Tragfähigkeit im Brandfall erfüllt. Im folgenden Kapitel werden Brandversuche vorgestellt, in denen die thermische Beanspruchung der Betonschicht während des Abbrandes der Holzschicht unter Naturbrandbeanspruchung untersucht wird. Abschließend werden auf der Grundlage des ermittelten Erwärmungsverhaltens exemplarisch Bemessungsergebnisse der Betonschicht für den Lastfall Brand vorgestellt.

Brandversuche

Zur Untersuchung des Verhaltens von HBV-Decken im Naturbrand wurden zwei Deckenprobekörper in einem Brandofen zur Feuerwiderstandsprüfung in Anlehnung an DIN EN 1363-1 [7] beflammt. Dieser Versuchsstand wird im Folgenden als Bauteilofen bezeichnet. Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus, mit den Temperaturmessstellen in den Bewehrungslagen und der Grenzschicht zwischen Beton und Holz, ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Probekörper bestanden aus 80 mm Brettschichtholz (Fichte/Tanne) mit einer Rohdichte von ca. 490 kg/m³ und einer Holzfeuchte von 12 M.-% und 100 mm Überbeton. Sie hatten eine Breite von 1,05 m und eine Länge von 1,30 m und wurden auf einer Fläche von 1,00 m × 1,17 m von unten beflammt. Zwischen Holz und Beton war eine PE-Folie angeordnet, um den Entzug von Wasser aus dem Frischbeton in das Holz zu unterbinden. Der Verbund zwischen Beton und Holz wurde mit Holzschrauben hergestellt. Die Bewehrung wurde mit 2 cm Betonüberdeckung eingebaut. Im Auflagerbereich ist der Beton bis auf das Wandbauteil heruntergeführt. Dieser Untersuchungsschwerpunkt ist für das folgende Kapitel „Auflagerdetails“ relevant und wird dort detailliert ausgeführt.

Als Temperatur-Zeit-Beanspruchung wurde eine innerhalb des Forschungsprojekts TIMpuls bestimmte Naturbrandkurve festgelegt (s. Abb. 2).

Diese konservative Annahme ergibt sich aus den in [8] festgelegten Brandlasten, Brandraumgeometrien und Ausfallwahrscheinlichkeiten sowie unter Berücksichtigung einer zusätzlichen Wärmefreisetzung durch eine unbekleidete, brennbare Raumdecke.

In Abbildung 2 sind die Temperaturaufzeichnungen der Brandversuche dargestellt. Die Linienfarben entsprechen den Positionen der Temperaturmessstellen in Abbildung 1. Die Brandraumtemperaturen weisen zum Teil erhebliche Abweichungen voneinander auf, da die Steuerung der Abkühlphase (ab ca. Versuchsminute 45) in ETK-Brandöfen eine erhebliche Herausforderung darstellt.

Die Temperaturen in der Grenzschicht zwischen Beton und Holz erreichen maximal 78 °C. In der Feldbewehrung der Betonschicht wurden maximal 73 °C gemessen.

Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand
Abb. 2: Temperaturmessungen der Brandversuche mit HBV-Deckenbauteilen (Grafik: Steeger/Dienst/Kampmeier)

In Abbildung 3 ist die Holzschicht unmittelbar nach Öffnung des Bauteilofens dargestellt. Die Öffnung erfolgt in beiden Versuchen bei einem Abfallen der Brandraumtemperatur unter 300 °C nach ungefähr 120 Minuten. Zu diesem Zeitpunkt waren die Oberflächen der Probekörper vollständig verkohlt. Es waren keine Flammenbrände mehr erkennbar, sondern lediglich kleine Glimmnester, die innerhalb weniger Minuten verloschen. Die Restholzdicken nach den Brandversuchen betrugen im Mittel 45 mm und belegen ein insgesamt gutmütiges Abbrandverhalten der Holz-Beton-Probekörper. Die dargestellten Ergebnisse müssen noch im Rahmen eines ausstehenden Großbrandversuchs mit einer 4 m × 4 m großen HBV-Decke unter Naturbrandbeanspruchung validiert werden.

Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand
Abb. 3: Unter-/Holzseite des Probekörpers vor (links) und unmittelbar nach dem Brandversuch (rechts) (Bild: Steeger/Dienst/Kampmeier)

Vergleich von Holz-Beton-Verbund- und Stahlbetondecken

Wie bereits erläutert, erfolgt die Heißbemessung der HBV-Decke unter der konservativen Annahme, dass die Holzschicht während des Brandes vollständig abbrennt. Die Heißbemessung der HBV-Decke bzw. der verbleibenden Betonschicht ist ohne temperaturbedingte Reduzierungen der Festigkeit des Betons und der eingelegten Bewehrung möglich. Entsprechend DIN EN 1992-1-2 [9] werden die Festigkeitseigenschaften der Bewehrung erst ab einer Stahltemperatur von 400 °C reduziert. Die in den Brandversuchen festgestellten Maximaltemperaturen der Bewehrungslagen befanden sich deutlich unter diesem Wert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Holzschichten der untersuchten HBV-Decken nicht vollständig verbrannten und selbstständig verloschen. Allerdings kann auch unter der Annahme, dass die Holzschicht in der Abkühlphase nicht selbstständig verlöscht und aufgrund der Kohleschichtbildung vorrangig durch Glimm- und Schwelvorgänge zersetzt wird, angenommen werden, dass keine festigkeitsreduzierenden Temperaturerhöhungen in der Bewehrungslage der Betonschicht auftreten, da dabei maximal Pyrolysetemperaturen von 300 °C bis 450 °C auftreten können [10].

Auf der Grundlage dieser Festlegungen wurde in [11] eine vergleichende Bemessung von HBV- und Stahlbetondecken durchgeführt.

Die Decken wurden als Einfeldträger unter der Annahme üblicher Materialkennwerte und Lastannahmen für den Wohnungsbau bemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle gegenübergestellt.

Die Betongüte übt keinen signifikanten Einfluss auf die dargestellten Schichtdicken und Bewehrungsgrade aus und wurde daher als C 25/30 festgelegt.

Festgestellt wurden jedoch eine geringere Höhe der Betonschicht sowie ein geringerer Bewehrungsgrad der HBV-Decken gegenüber der Stahlbetondecke sowie sogar eine geringere Gesamtdeckendicke ab Spannweiten über 7 m.

Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand (Tabelle: Ergebnisse einer vergleichenden Bemessung von HBV- und Stahlbetondecken)

Auflagerdetails

Um die Standsicherheit der Decke im Brandfall bei vollständigem Holzabbrand zu gewährleisten, sind auch besondere Auflagerdetails notwendig. Dies wurde realisiert durch die Ausbildung einer Auflagernocke, die im Brandfall auch bei vollständigem Abbrand des Holzes das Auflager der Decke bildet. Die dargestellte Auflagernocke dient der Lastübertragung des Überbetons auf den Randunterzug bei Wegfall der Holzschicht. Mit dieser Konstruktion ist gewährleistet, dass kein Holz im Bereich des Auflagers zur Lastübertragung im Zuge des Tragfähigkeitsnachweises im Brandfall aktiviert werden muss. Die Auflagernocke bildet somit eine direkte Auflagerung des Überbetons im Brandfall. Durch eine entsprechende Zulagebewehrung wird die Nocke in die Überbetonplatte eingespannt, sodass auch durch größere Verformungen entstehende Zwängungsspannungen aufgenommen werden können.

Die Probekörper der Brandversuche wurden daher mit Auflagernocke ausgeführt und die Temperaturentwicklung in der Bewehrung dieser Auflager wurde genauer untersucht. Die Auflagernocke wurde auf ein Wandbauteil aufgestellt (in Abbildung 1 links auf dem Wandbauteil). Im Brandversuch sind diese Auflagernocke unbelastet, die Lastabtragung des Eigengewichts der Probekörper erfolgt über nicht dargestellte Anschlagpunkte am Bauteilofen. Die Bewehrungstemperaturen in den Auflagernocke erreichten maximal 111 °C. Weiterhin ist zu berücksichtigten, dass die Holzschicht beim untersuchten Auflagerdetail direkt am Wandbauteil endet und nicht auf dem Wandbauteil aufliegt. Die empfohlene Konstruktion sieht eine direkte Auflagerung der Holzschicht auf dem Wandbauteil vor. Die Auflagernocke und ihre Bewehrung sind damit weiter in das Auflager zurückversetzt und zusätzlich geschützt.

Daher sind bei einer solchen Ausführung im Brandfall geringere Temperaturen zu erwarten, als in den Brandversuchen ermittelt wurden. Im Folgenden wird ein Auflagerdetail einer HBV-Decke unter Annahme eines vollständigen Holzabbrands (s. Abbildung 4) dargestellt.

Das Holz lässt man grundsätzlich auf dem Randunterzug aufliegen, damit keine indirekte Auflagerung ausgebildet werden muss. Wenn das Holz nicht auf den Randunterzug geführt würde, also im Fall einer indirekten Lagerung, müsste man die Holzschicht aufwendig – mittels Schraubenverbindung – in den Überbeton „hochhängen“. Bei Auflagerung der Holzschicht auf dem Unterzug erfolgt die Querkrafteinleitung durch den Holzquerschnitt. In diesem Fall müsste der Randunterzug, auf dem die Auflagernocke aufgelagert ist, aufgrund der Annahme eines vollständigen Holzabbrands, vor seiner Entzündung geschützt werden.

Einerseits besteht die Möglichkeit, die brandschutztechnische Bekleidung der tragenden unteren Wand zwischen dieser und dem Randunterzug fortzuführen. Sollte die brandschutztechnisch wirksame Bekleidung in diesem Fall bis unter das Auflagernocke geführt werden, ist die Lastweiterleitung über die brandschutztechnisch wirksame Bekleidung zu prüfen. Weiterhin könnte der Randunterzug aus nichtbrennbaren Baustoffen ausgeführt werden.

Verhalten von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand
Abb. 4: Alternatives Auflager mit Betonnocke (Bild: PIRMIN JUNG Deutschland GmbH)

Fazit

HBV-Decken können unter Berücksichtigung der erläuterten Ausführungsdetails als selbstverlöschende Bauteile ausgeführt werden. Die vorgestellten Brandversuche belegen ein gutmütiges Brandverhalten der Holzschicht und eine Schutzwirkung für die darüber angeordnete Betonschicht. Die daraus folgende geringe thermische Belastung des Betons und seiner Bewehrung erlauben eine Heißbemessung als alleiniger tragender Querschnitt ohne Reduzierung der Materialkennwerte. Damit können HBV-Decken entsprechend den derzeit geltenden bauordnungsrechtlichen Anforderungen im Rahmen eines Naturbrandnachweises zur Verwendung in der Gebäudeklasse 5 nachgewiesen werden.

in Beleg der Ergebnisse im Realmaßstab steht noch aus. Die hier vorgestellten Arbeiten wurden im Rahmen einer Masterarbeit [11] und des Forschungsvorhabens „TIMpuls“ [12] durchgeführt, gefördert vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) und unterstützt von PIRMIN JUNG Deutschland.

Autoren

Felix Steeger, M.Eng.: B.Eng. Bauingenieurwesen; M.Eng. Energieeffizientes Bauen; wissenschaftlicher Mitarbeiter auf dem Gebiet des baulichen Brandschutzes (Hochschule Magdeburg-Stendal)

Prof. Dr.-Ing. Björn Kampmeier: Dipl.-Ing. Holzingenieurwesen; Dipl.-Ing. Bauingenieurwesen; Promotion "Risikogerechte Brandschutzlösungen für den mehrgeschossigen Holzbau" (iBMB, TU Braunschweig); Professur für Brandschutz und Baukonstruktion (Hochschule Magdeburg-Stendal)

Sebastian Dienst, M.Eng.: B.Eng. Holzingenieurwesen; M.Eng. Vorbeugender Brandschutz; Zimmermeister; Nachweisberechtigter für vorbeugenden Brandschutz, Ingenieurkammer Hessen; Prokurist und Mitglied der Geschäftsleitung der PIRMIN JUNG Deutschland GmbH

Literatur

[1] Harald Elsner: Sand – auch in Deutschland bald knapp?, ­Commodity TopNews 56, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover, 2018

[2] Jochen Zehfuß, Björn Kampmeier: konstruktiver baulicher Brandschutz im Betonbau, Beton-Kalender 2018/2, Ernst & Sohn Verlag, Berlin, 2018

[3] Musterbauordnung, Fassung November 2002, zuletzt geändert durch Beschluss der Bauministerkonferenz vom 13.05.2016

[4] Karin Bruch: Vergleich der Bauteilbemessungen mit ETK und Naturbrandverfahren am Beispiel von Stahlbetonplatten, Bachelorarbeit, Hochschule Magdeburg-Stendal und Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg, 2016

[5] DIN EN 1991-1-2:2010-12 "Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1–2: Allgemeine Einwirkungen – Brandeinwirkungen auf Tragwerke"

[6 DIN EN 1991-1-2/NA:2015-09 "Nationaler Anhang – National festgelegte Parameter – Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1–2: Allgemeine Einwirkungen – Brandeinwirkungen auf Tragwerke"

[7] DIN EN 1363-1:2012-10 "Feuerwiderstandsprüfungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen"

[8] Stefan Winter, Jochen Zehfuß: Brandschutztechnische Grundlagenuntersuchungen für eine erweiterte Anwendung des Holzbaus, Tagungsband 33. Braunschweiger Brandschutz Tage, Braunschweig, 26.09.2019

[9] DIN EN 1992-1-2:2010-12 "Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Teil 1–2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall"

[10] Bartlett, A. I.; Hadden, R. M.; Bisby, L. A. (2018) A Review of Factors Affecting the Burning Behaviour of Wood for Application to Tall Timber Construction, in: Fire Technology, Volume 55, Issue 1, 2019, Springer Science+Business Media, Berlin, S. 1–49

[11] Carola Niemann: Brandschutztechnische Untersuchung von Holz-Beton-Verbunddecken im Naturbrand, Masterarbeit, Hochschule Magdeburg-Stendal, Magdeburg, 2018

[12] Forschungsvorhaben "TIMpuls" www.bgu.tum.de/timpuls/startseite/ (aufgerufen am 05.04.2020)

Der Artikel ist in Ausgabe 3.2020 des FeuerTrutz Magazins (Juli 2020) erschienen.
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Letzte Aktualisierung: 20.08.2020