Methoden und Vorschriften – Brandwiderstandsnachweise

Grenzzustände des Brandwiderstands

Der Grenzzustand des Brandwiderstands basiert in erster Linie auf der Art der Konstruktion – ob es sich um ein tragendes oder nicht tragendes Bauteil handelt oder ob es sich um eine Wand, eine Stütze oder eine Tür handelt. Die Vorschriften definieren eine Reihe von Grenzzuständen. Die vier am häufigsten verwendeten Typen sind R, E, I und W.

(a) R = Tragfähigkeit und Standsicherheit, (b) E = Raumabschluss, (c) I = Wärmedämmung, (d) W = Brandwände

Grenzzustand „R" (Tragfähigkeit und Standsicherheit)

Der Grenzzustand „R" gilt für alle tragenden Strukturen (einschließlich jener innerhalb des Brandabschnitts), insbesondere für solche, die die Standsicherheit des Gebäudes gewährleisten. Diese müssen ihre Tragfunktion auch während eines Brandes aufrechterhalten. Für den Grenzzustand „R" spielt es keine Rolle, ob die Struktur ein Träger- oder Plattenbauteil ist. Der Grenzzustand R muss für Wände, Stützen, Träger, Dachbinder, Pfetten, aber auch für Steifen usw. erfüllt werden.

Grenzzustand „E" (Raumabschluss)

Der Grenzzustand „E" gilt für alle Oberflächen von brandabschließenden Bauteilen. Während eines Brandes darf in der Brandabschnittstrennung kein Riss entstehen, durch den Flammen hindurchtreten oder heiße Gase in einen anderen Abschnitt eindringen könnten. Der Raumabschluss muss durch Brandwände und Decken, die die Brandabschnitte trennen, durch weitere Brandtrennwände oder Untersichten (hinter denen sich z. B. Leitungskanäle befinden können) sowie durch Brandschutzabschlüsse (z. B. Türen) gewährleistet werden, sofern zutreffend.

Grenzzustand „I" (Wärmedämmung)

Der Grenzzustand „I" gilt für flächige brandabschließende Bauteile, die eine übermäßige Erwärmung des Raums auf der dem Brand abgewandten Seite verhindern sollen. Material auf oder angrenzend an die nicht beflammte Seite darf sich nicht entzünden. Die Wärmedämmfunktion muss insbesondere von massiv eingebauten flächigen Bauteilen wie Brandwänden und Decken zwischen Brandabschnitten erfüllt werden. Dies bedeutet, dass es sich überwiegend um innenliegende Bauteile handelt, bei denen ein Brand auf beiden Seiten der Struktur auftreten kann und bei denen Personen auf der nicht beflammten Seite gefährdet sein können. Brandschutzabschlüsse, die auf einen geschützten Fluchtweg münden, müssen ebenfalls den Grenzzustand „I" erfüllen.

Grenzzustand „W" (Begrenzung der Wärmestrahlung)

Die Anforderungen an die Begrenzung der Wärmestrahlung gelten für flächige brandabschließende Bauteile und sind dem Grenzzustand „I" ähnlich, jedoch mit weniger strengen Anforderungen. Der Grenzzustand „W" verhindert keinen Temperaturanstieg, sondern begrenzt lediglich in gewissem Umfang den Wärmestrahlungsfluss von der dem Brand abgewandten Seite des Bauteils. Dieser Strahlungswärmefluss darf jedoch keine Brandausbreitung verursachen oder Personen gefährden, die sich in der Nähe eines solchen Bauteils in Sicherheit bringen. Er ist daher auf 15 kW/m² begrenzt.

Feuerwiderstandsdauer

Die Feuerwiderstandsdauer ist definiert als der Zeitraum, während dessen die Struktur den Auswirkungen eines Brandes standhalten oder den geforderten Grenzzustand (oder mehrere Grenzzustände) erfüllen muss. Die Feuerwiderstandsdauer wird in Minuten angegeben. Die grundlegenden Klassifizierungszeiträume sind auf 15, 30, 45, 60, 90, 120 und 180 Minuten festgelegt.

Belastung im Brandfall

Nach dem Eurocode kann die Bemessungslast im Brandfall vereinfachend als 70 % der Lastkombination für den GZT angesetzt werden.

Methoden des Brandwiderstands

Die Bemessungsmethoden unterscheiden sich hinsichtlich Ansatz, Genauigkeit und Berechnungsaufwand. Bei der Analyse eines maßgebenden Bauteils kann die Tabellenverfahren verwendet werden, die die konservativste Methode darstellt.

Wenn der Normnachweis nicht ausreichend ist, besteht die Möglichkeit, zu genaueren Methoden überzugehen, wie der Isotherme 500 oder der sogenannten Zonenmethod. Bei der Analyse eines Strukturteils oder sogar der gesamten Struktur können numerische Simulationen wie Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung eingesetzt werden. 

Grundlegende Annahmen des Tabellenverfahrens

• Grundsätzlich gelten alle Werte für kieselige Zuschlagstoffe (am stärksten von Brandeinwirkungen betroffen)
• Bei kalksteinhaltigem Zuschlag kann die kleinste erforderliche Bauteilabmessung um 10 % reduziert werden
• Die Feuchtigkeit des Betons muss weniger als 3 % betragen, andernfalls besteht die Gefahr von explosivem Abplatzen
• Die kritische Temperatur der Betonbewehrung beträgt 500 °C
• Die kritische Temperatur für Spannbewehrung beträgt 400 °C (Stäbe) bzw. 350 °C (Litzen und Drähte) 
• Der Achsabstand der Bewehrung von der Oberfläche muss weniger als 70 mm betragen, andernfalls ist eine Oberflächenbewehrung vorzusehen
• Bei mehrlagiger Bewehrung ist der mittlere Achsabstand vom Rand zu berechnen, wobei der kleinste Achsabstand einer beliebigen Lage mindestens das Kriterium R30 erfüllen muss
• Eine lineare Interpolation zwischen den Tabellenwerten ist zulässig
• Die in den Tabellen angegebenen Werte sind Mindestwerte; die Bemessungsgrundsätze gemäß Eurocode sind ebenfalls einzuhalten

Stützen 

Stützen werden in der Regel mit Methode A oder B nachgewiesen. Die Wahl der Methode liegt allein im Ermessen des Ingenieurs. Der Normnachweis gilt für Stützen, die überwiegend auf Normaldruck beansprucht werden, sowie für ausgesteifte Strukturen.

Methode A

• Die maximale Knicklänge beträgt 3 m.
• Die Knicklänge beträgt 0,7*L für das oberste Geschoss und 0,5*L für jedes weitere Geschoss.
• Anfangsimperfektionen sind kleiner als 15 % der Querschnittshöhe.
• Der maximale Bewehrungsanteil beträgt weniger als 4 % der Betonquerschnittsfläche.

Methode B

• Die Methode gilt nur für ausgesteifte Strukturen. 
• Die Knicklänge der Stütze kann mehr als 3 Meter betragen.

Träger

Der Normnachweis von Trägerbauteilen ist nur für rechteckige, T-förmige oder I-förmige Querschnitte möglich. Im nächsten Schritt ist zwischen Einfeldträgern und Durchlaufträgern zu unterscheiden.

Platten

Wie bei Trägerbauteilen ist zwischen einer einfach gelagerten Platte und einer Durchlaufplatte zu wählen. Ein weiteres Merkmal unterscheidet zwischen Auflagerungen durch Wände oder Stützen.

a) Einachsig gespannte Platte, b) Zweiachsig gespannte Platte, c) Durchlaufplatte – Wände, d) Durchlaufplatte – Stützen

Wände

• Das Verhältnis von Höhe zu Dicke muss kleiner als 40 sein
• Brandwiderstand EI – Raumabschluss und Wärmedämmung, nicht tragend
• Brandwiderstand REI – Raumabschluss und Wärmedämmung, tragend

Zusammenfassung

Für den Normnachweis des Brandwiderstands von Strukturen wird überwiegend das Tabellenverfahren bevorzugt, mit dem der Ingenieur sehr schnell ein Bestanden/Nicht-bestanden-Ergebnis erhält. Fortgeschrittenere Methoden wie die Isotherme 500 oder die Zonenmethode werden ebenfalls häufig eingesetzt. Die fortgeschrittenen Methoden kommen zum Einsatz, wenn maßgebende Bauteile wie Stützen, Träger, Wände oder Platten im Tabellenverfahren versagen. Numerische Simulationsmethoden wie Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung werden hauptsächlich im akademischen Bereich angewendet. IDEA StatiCa RCS enthält die oben genannten Tabellenverfahren. Die Entwicklung bei IDEA StatiCa führt die Analyse von den Tabellenverfahren auf die Ebene numerischer Methoden. Daher können Sie sich in naher Zukunft auf eine instationäre Wärmeleitungsanalyse in IDEA StatiCa Member freuen.