Ingenieurmethoden im Brandschutz - Chancen für den Stahlbau - Teil 1/4

Die Brandkatastrophe am Nachmittag des 11. April 1996 am Flughafen Düsseldorf hat die Bedeutung von Brandschutzmaßnahmen insbesondere für Sonderbauten mit großen Menschenansammlungen in dramatischer Weise in den Blickpunkt des Interesses einer breiten Öffentlichkeit und auch der Medien gerückt. Sie hat nicht nur in Nordrhein-Westfalen alle an der Planung und am Bau Beteiligten in besonderem Maße für die Belange des vorbeugenden baulichen Brandschutzes sensibilisiert. Schnell wurde die Forderung nach schärferen bauaufsichtlichen Regelungen laut. In der Tat liegt der historische Ursprung der bestehenden bauaufsichtlichen Regelungen im Hinblick auf den Brandschutz in der Reaktion auf die verheerenden Stadtbrände im letzten Jahrhundert und im letzten Weltkrieg. Einer der wesentlichen Gesichtspunkte ist daher das Abschottungsprinzip, z.B. durch die Anordnung von Abstandsflächen und Brandwänden. Die Erfahrungen haben bewiesen, daß diese Regelungen ganz wesentlich dazu beitragen, die Brandausbreitung zu behindern. Diese Maßnahmen können die Entstehung von Bränden und damit die Gefährdung von Menschen natürlich nicht verhindern. Die vorrangig baulich konstruktiven Anforderungen schlagen sich in den Landesbauordnungen u.a. in den Anforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit der Bauteile nieder. Je nach Gefahrenpotential in den Gebäuden wird dabei zwischen mindestens feuerhemmenden und feuerbeständigen Bauteilen unterschieden. In Ermangelung anderer Beurteilungsmethoden wurden die Eigenschaften feuerhemmend und feuerbeständig an dem Verhalten der Bauteile im Normbrandversuch festgemacht. Dabei wird regelmäßig feuerhemmend der Feuerwiderstandsklasse F 30 und feuerbeständig der Feuerwiderstandsklasse F 90 zugeordnet. Für den Stahlbau bringen Auflagen hinsichtlich der Feuerwiderstandsfähigkeit zwei wesentliche Wettbewerbsnachteile. Zum einen kann der Wunsch vieler Architekten nach sichtbaren, stählernen Tragkonstruktionen wegen nachträglich anzuordnender Brandschutzbekleidungen nicht erfüllt werden. Ästhetisch gewollte Lösungen können nicht realisiert werden. Zum zweiten führen Brandschutzmaßnahmen für die Stahlkonstruktion zu einer erheblichen Verteuerung, die den Wettbewerb zum Massivbau in manchen Marktsektoren erschwert.

Stahlbauteile haben im Vergleich zu Massivbauteilen von sich aus geringere Widerstandsfähigkeit gegen Feuer. Die Ursache hierfür sind zum einen die hohe Wärmeleitfähigkeit von Baustahl und zum zweiten die vergleichsweise geringe Massigkeit der Bauteile. Diese beiden technologischen Eigenschaften führen im Brandfall zu einer schnelleren Erwärmung und entsprechend reduzierter Tragfähigkeit von Stahlbauteilen. Im Stahlbau fallen für die Erfüllung von Anforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit der Tragkonstruktion hohe Kosten an. Im konkurrierenden Massivbau sind diese Mehrkosten marginal. Wie eine Kostenzusammenstellung der EKS [1] eindrucksvoll belegt, sind die Kosten für die Brandschutzmaßnahmen im europäischen Vergleich recht uneinheitlich (s. Abb. 1). Auffällig ist, daß Deutschland durchweg im oberen Bereich liegt. Für übliche Hochbaukonstruktionen ergibt sich auf dieser Basis in Deutschland die Situation, daß die Kosten für den Brandschutz die reinen Baustahlkosten der Konstruktion überschreiten. Dabei ist der Grad der Anforderung, ob F 30 oder F 90, im Hinblick auf die Kosten nicht ausschlaggebend. Bereits die niedrigste Feuerwiderstandklasse erfordert Aufwendungen in der Größenordnung von 700 ECU pro t Stahlkonstruktion (s. Abb. 2). Vor diesem Hintergrund ist nach den wesentlichen Einflußgrößen zu fragen, die das Verhalten von Stahlbauteilen im Brandfall bestimmen und damit den Grad der Anforderungen und die daraus abzuleitenden Schutzmaßnahmen festlegen. Ferner wird in diesem Beitrag beschrieben, welche Auswirkungen auf den Brandschutz im Stahlbau die Entwicklung sogenannter Ingenieurmethoden des vorbeugenden baulichen Brandschutzes erwarten lassen.

Die Sicherheitsanforderungen im Bauwesen laut Bauproduktenrichtlinie 89/106/EEC verlangen, daß im Fall der Entstehung eines Brandes die Tragfähigkeit der Konstruktion für eine definierte Dauer vorausgesetzt werden kann. Wird die erforderliche Widerstandsdauer mit t-requ und die Zeit bis zum Versagen der Konstruktion mit t-u bezeichnet, so läßt sich diese Forderung vereinfacht in folgender Bedingungsgleichung ausdrücken: t-u >= t-requ (Gleichung 1). So einfach diese Bedingungsgleichung zunächst erscheint, so komplex wird sie bei näherem Hinsehen. Schon bei der Frage nach der erforderlichen Dauer t-requ wird die Kompliziertheit deutlich. Die „definierte Dauer“, von der in der Bauproduktenrichtlinie gesprochen wird, entspricht nicht etwa den 30 oder 90 Minuten des Normbrandversuches. Es hat sich fälschlicherweise eingebürgert, an dieser Stelle sofort den Zusammenhang zu den Feuerwiderstandsklassen des Normbrandversuches herzustellen. Die Dauer t-requ ist im Gegenteil in keiner gesetzlichen Vorschrift, DIN-Norm oder Richtlinie quantitativ festgelegt. Sie orientiert sich an den primären Schutzzielen des Brandschutzes, die dem Personenschutz gewidmet sein müssen. Zum Beispiel daran, wieviel Zeit für Flucht oder Rettung im Gebäude befindlicher Personen oder für die Durchführung von Brandbekämpfungsmaßnahmen notwendig ist. Hier spielen zahlreiche Parameter wie z.B. die Höhe der Brandbelastung und die Art und Nutzung des Gebäudes eine Rolle. In der Bau- und insbesondere in der Genehmigungspraxis muß das Fehlen objektiver Kriterien zur Festlegung dieser erforderlichen Dauer t-requ immer wieder zu differierenden Anforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit der Bauteile führen, wenn im Einzelfall mit erheblichen Ermessensspielräumen agiert wird. Einen Ausweg im Hinblick auf realistische, objektspezifische Anforderungen an die Feuerwiderstandsfähigkeit der Bauteile bietet ein über die „definierte Dauer“ hinausgehender Ansatz. Dabei wird nicht nach der oben angesprochenen „definierten Dauer“ t-requ gefragt, sondern danach, welche thermische Belastung der Bauteile bei einem Brand maximal möglich ist. Die thermische Belastung drückt sich meist in Brandgastemperatur-Zeitkurven, sogenannten Naturbrandkurven, aus. Die Bedingungsgleichung (1) geht dann über in einen Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit.

Die Erfüllung der Gleichung (2) stellt sicher, daß das Versagen der Konstruktion während eines Brandes nicht eintritt (s. Abb. 3). Für die Anwendung von Berechnungsverfahren lassen sich aus Bild 3 direkt die verschiedenen Teilaufgaben ablesen: Berechnung der Brandgastemperatur-Zeitkurven; Berechnung der Bauteiltemperaturen; Ermittlung der mechanischen Lasten im Brandfall und Berechnung der temperaturabhängigen Beanspruchbarkeit der Tragkonstruktion. Dabei umfaßt die zeitabhängige thermische Analyse die ersten beiden Teilaufgaben, während die letzten beiden Teilaufgaben der temperaturabhängigen mechanischen Analyse zuzuordnen sind. Die numerische Behandlung des Tragverhaltens im Brandfall gehört in dieser allgemeinen Formulierung zu den Simulationsverfahren, die zweifellos zu den anspruchsvollen Ingenieurmethoden im baulichen Brandschutz zu rechnen sind. Sie haben sich als Bemessungs– und Nachweismethoden für die große Anzahl der alltäglichen Bauaufgaben bisher nicht etabliert.

Beispiele für den praktischen Nutzen dieser Simulationsverfahren sind die Ableitung des Rechenverfahrens der DIN 18230 Brandschutz im Industriebau [2, 3] mit Hilfe von Wärmebilanzrechnungen. Immerhin wird diese Norm im Zusammenhang mit der Industriebaurichtlinie [4] in einem vereinfachten Nachweis ohne Ermittlung der Brandbelastung Brandabschnitte bis 10000 m2 in ungeschützter Stahlbauweise ermöglichen, wenn bestimmte Anforderungen an die brandschutztechnische Infrastruktur (Sicherheitskategorie K 4 - Sprinkleranlage) eingehalten werden. Darüber hinaus ist die Ableitung der Tabellen in DIN 4102 Teil 4 [5] bzw. der vereinfachten Berechnungsverfahren für Verbundbauteile [6, 7, 8] mit Hilfe von allgemeinen Rechenverfahren zur Simulation des Tragverhaltens von Bauteilen unter Normbrandbedingungen zu nennen. Ein umfassendes analytisches Verfahren für die brandschutztechnische Tragwerksbemessung muß das Verhalten des Tragwerks bei erhöhten Temperaturen und die mögliche thermische Beanspruchung, die ggfs. die günstige Wirkung der Brandbekämpfung einschließt, berücksichtigen und in ein Sicherheitskonzept eingebunden sein. Gegenwärtig ist es grundsätzlich möglich, mit numerischen Simulationsberechnungen, die die wesentlichen Einflußgrößen berücksichtigen, nachzuweisen, daß sich das Tragwerk oder Teile davon in einem tatsächlichen Schadenfeuer angemessen verhalten werden. Innerhalb der europäischen Staaten beruht das gebräuchliche Verfahren jedoch auf den Ergebnissen von Normbrandversuchen und ist gekoppelt an ein Klassifizierungssystem in Vorschriften für Feuerwiderstandsdauern. Dabei wird regelmäßig von der Vermutung ausgegangen, daß die geforderten Feuerwiderstandsdauern die vorgenannten Einflüsse implizit erfassen. Die nachfolgend behandelten Teile 1-2 der Eurocodes Eurocodes befassen sich deshalb hauptsächlich mit der Bemessung für den Feuerwiderstand unter Normbrandbedingungen.