Ingenieurmethoden im Brandschutz - Chancen für den Stahlbau - Teil 2/4

Nach etwa zehnjähriger Vorarbeit auf europäischer Ebene hat das Deutsche Institut für Normung (DIN) im Jahr 1997 die europäischen Vornormen zur brandschutztechnischen Tragwerksbemessung als Blaudruck in deutscher Sprache veröffentlicht. Für Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen im Hoch- und Ingenieurbau sind die Grundlagen im Eurocode 1 Teil 2-2 [9] sowie die allgemeinen Regeln im Eurocode 3 Teil 1-2 (Stahlbauten) [10] und Eurocode 4 Teil 1-2 (Verbundtragwerke aus Stahl und Beton) [11] bedeutsam. Die grundlegenden Änderungen der Eurocodes gegenüber der DIN 4102 Teil 4 [5] sind zum einen das neue Sicherheitskonzept der Eurocodes (Teilsicherheitsbeiwerte) und zum zweiten die Tatsache, daß brandschutztechnische Nachweise auf rechnerischem Wege geführt werden können. Die bauaufsichtliche Einführung der europäischen Bemessungsvorschriften für den Brandfall wird optimistisch Ende 1998, realistisch zu Beginn des Jahres 1999 erfolgen. Zur Anpassung an das bestehende Normengerüst und nationale bauaufsichtliche Regelungen sind die sogenannten Nationalen Anwendungsdokumente (NAD) bereits weitgehend fertiggestellt. Darin werden allerdings auch einige Einschränkungen im Hinblick auf die Anwendung allgemeiner Simulationsverfahren enthalten sein. Zum Ende des Jahres 1998 wird ein DIBt - Forschungsvorhaben „Gleichwertigkeit von Brandschutznachweisen nach den Eurocodes und nach DIN 4102-4“ abgeschlossen sein, das in einer umfangreichen Veröffentlichung eine Fülle von durchgerechneten Anwendungsbeispielen für die Baupraxis bereitstellen wird.

Gemäß Eurocode 1 Teil 2-2 [9] dürfen die Brandgastemperatur-Zeitkurven entweder als nominelle Temperaturzeitkurven, wie z.B. die aus den Brandversuchen bekannte Einheitstemperaturzeitkurve, angenommen oder aus den projektspezifischen physikalischen Parametern berechnet werden. Im Eurocode 1 Teil 2-2 [9] Anhang B sind recht einfach anwendbare Berechnungsformeln zur Ermittlung parametrischer Brandgastemperatur-Zeitkurven angegeben. Sie gelten jedoch lediglich für einen sehr eingeschränkten Parameterbereich hinsichtlich der Raumgeometrie des Brandabschnittes nämlich für maximale Grundflächen bis 100 m² und maximale Raumhöhen bis 4 m. Immerhin läßt sich der Einfluß wesentlicher Parameter wie der Brandbelastung verdeutlichen (s. Abb. 1). Für größere Brandabschnitte mit ggfs. lokal begrenzten Bränden sind diese einfachen Berechnungsformeln ungeeignet. Für die Simulation von Naturbränden sind Programme entwickelt worden, die heute meist sogenannte Mehrraum-Mehrzonen-Modelle verwenden [13, 14, 15]. Dabei wird der zu untersuchende Brandabschnitt in mehrere Teilräume unterteilt, die wiederum mehrere Zonen aufweisen. In den einzelnen Zonen können Temperaturen, Rauch- und Gaskonzentrationen und Druckverteilungen berechnet und damit alle wesentlichen Größen, die das Brandgeschehen beschreiben, ermittelt werden. Für die Berechnungen sind eine Fülle von Eingangsparametern erforderlich. Diese lassen sich grob in Bauwerks- und Brandparameter gliedern. Zu den Bauwerksparametern gehören im wesentlichen die Gebäudegeometrie mit Zu- und Abluftöffnungen und die wärmephysikalischen Eigenschaften der Umfassungsbauteile (Wände, Decken und Böden). Mit den Brandparametern werden Art, Menge und Verteilung der Brandlasten sowie Abbrandmodelle beschrieben. Hinzu kommt ggfs. die Berücksichtigung von speziellen betrieblichen Einrichtungen wie Rauch- und Wärmeabzugsanlagen und Sprinklern. Wegen der großen Anzahl der festzulegenden Parameter ist die Berechnung eines für die Bemessung maßgebenden Schadenfeuers außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich. Für die Brandsimulationsrechnungen ist die Festlegung des Brandszenarios von grundlegender Bedeutung. In den Eurocodes werden keine „Bemessungsbrandszenarien“ festgelegt. Die Anwendung von Brandsimulationsrechnungen im bauaufsichtlichen Genehmigungsverfahren setzt daher die Vereinbarung solcher Brandszenarien im Einzelfall voraus. Daß hier erhebliche Ermessensspielräume existieren, liegt auf der Hand. Die gelungene Definition solcher Brandszenarien im Zusammenhang mit der Norm „Brandschutz im Industriebau“ (DIN 18230 [2]) sollte jedoch ermutigen, derartige Festlegungen zukünftig auch für andere Bereiche, z.B. Büro- und Verwaltungsgebäude, zu treffen. Für Brandschutzingenieure stellen Brandsimulationsrechnungen ein wichtiges Hilfsmittel dar, um insbesondere Vorhersagen zur wahrscheinlichen Rauchentwicklung zu ermöglichen und daraus lebenswichtige Sicherheitsmaßnahmen zu definieren. Die für die brandschutztechnische Bemessung von Stahl- und Stahlverbundbauteilen bedeutsamen Brandgastemperatur-Zeitkurven sind dabei eher ein Nebenprodukt.

Mit den Brandgastemperatur-Zeitkurven wird die Erwärmung der Bauteile meist durch numerische Lösung der Fourier-Differentialgleichung für die Wärmeleitung in festen Stoffen bestimmt. In den Eurocodes werden die dazu benötigten Werkstoffkennwerte für Baustahl und im Hinblick auf Stahlverbundbauteile auch für Normal- und Leichtbeton angegeben. Es handelt sich dabei speziell um die Annahmen bezüglich des spezifischen Gewichtes und den temperaturabhängigen Größen Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität c. Transportvorgänge von verdampfendem Wasser in Verbundbauteilen werden durch modifizierte Materialkennwerte näherungsweise erfaßt. Wärmequelle für das Bauteil sind die umgebenden Brandgase. Der Wärmestrom in das Bauteil setzt sich aus dem konvektiven und dem radiativen Wärmeübergang (Strahlung) zusammen, die in Eurocode 1 Teil 2-2 geregelt sind. Die genannten Angaben basieren im wesentlichen auf den Erfahrungen an Bauteilbrandversuchen. Es wird vermutet, daß sich der Wärmeübergang unter Naturbrandbedingungen günstiger verhält.

Bei Stahlbauteilen vereinfacht sich der numerische Aufwand für die Lösung der Fouriergleichung durch die Annahme einer über den Stahlquerschnitt gleichmäßigen Temperatur. Infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit ist diese Annahme häufig gerechtfertigt. Die Erwärmung als Funktion der Branddauer läßt sich dann wie in Abb. 2 als eine Bauteiltemperatur-Zeitkurve darstellen. Abb. 2 zeigt, daß unter der Einheitstemperaturzeitkurve lediglich massive, ungeschützte Stahlbauteile so langsam erwärmt werden, daß die Stahltemperaturen bis zu 30 Minuten Branddauer unterhalb der Versagenstemperaturen bleiben. Brandschutzmaßnahmen werden im Stahlbau häufig durch Bekleidungen und Beschichtungen nachträglich appliziert. Sie unterliegen traditionell Zulassungen durch Prüfung in authorisierten Prüfanstalten. Die Angaben der Hersteller sind daher exklusiv für ihr Produkt und beziehen sich regelmäßig auf Mindestdicken zugeordnet zu den Feuerwiderstandsklassen im Normbrandversuch. Daher ist auch verständlich, daß im Eurocode 3 Teil 1-2 keine Materialkennwerte für Bekleidungen oder Beschichtungen geregelt werden. Die Folge davon ist, daß Erwärmungskurven geschützter Stahlbauteile nach Eurocode z. Zt. nicht rechnerisch ermittelt werden können. Auf die Hersteller kommt die Aufgabe zu, solche Materialkennwerte aus ihren Prüfergebnissen zu ermitteln und bereitzustellen. Das Verfahren für die Ermittlung ist auf europäischer Ebene bereits beschrieben [16]. Bis dahin muß mit vereinzelten Angaben in der Literatur z.B. in [17] vorlieb genommen werden.