Brandbemessung von Beton in der 2. Generation des Eurocode 2

Zunächst erläutern wir die neue Ausgabe, damit Sie sicher damit arbeiten können. Anschließend wenden wir die zweite Option an einem realen Fertigteilträger an und zeigen, wie einfach sich der Prozess automatisieren lässt. (Abschnittsnummern beziehen sich auf EN 1992-1-2:2023, sofern nicht mit 2004 gekennzeichnet.)

Was sich in den Normen geändert hat - Feuerwiderstand

1. Die Tabellen bleiben – aber die Regeln drumherum werden strenger.

Tabellenwerte bleiben der schnelle und konservative Weg, während Berechnungsverfahren für Bauteile zur Verfügung stehen, die von den Tabellen nicht abgedeckt werden. Die Ausgabe 2023 behält diesen Ansatz bei, stellt jedoch die Grenzen klarer: Tabellenergebnisse gelten gegenüber Versuchen sowie vereinfachten oder allgemeinen Verfahren grundsätzlich als auf der sicheren Seite liegend, und eine Extrapolation über den angegebenen Bereich hinaus ist nicht zulässig (Abschn. 6.1(2)).

Ziel ist es außerdem, die drei Ansätze konsistenter aufeinander abzustimmen. Das Vorwort bestätigt, dass die Tabellenregelungen aktualisiert wurden, um die tabellarischen, vereinfachten und allgemeinen Verfahren aneinander anzugleichen.

Worauf sind die Tabellen kalibriert?

Die Mindestabmessungen in den Tabellen beruhen auf festen Annahmen. Die wichtigsten Referenzwerte bleiben weitgehend unverändert:

• ηfi = 0,7 — das Referenz-Lastniveau (2004, Abschn. 5.2(3); 2023, Abschn. 6.2(1)).
• 500 °C — die kritische Bewehrungstemperatur für frei aufliegende, auf Biegung beanspruchte Bauteile, entsprechend etwa 0,60 fyk bei ηfi = 0,7 und γS = 1,15 (2004, 5.2(4); 2023, Abschn. 6.2(3), Anmerkung 1).

Es gibt jedoch zwei bemerkenswerte Änderungen:

1. Wärmeleitfähigkeit: Die Ausgabe 2004 erlaubte die Verwendung der Daten über den gesamten zulässigen Bereich der Wärmeleitfähigkeit. Die Ausgabe 2023 enthält eine einzige Funktion für die Wärmeleitfähigkeit.
2. ηfi: In der Ausgabe 2004 konnte ein Nationaler Anhang diesen Wert ändern (2004, 5.2(3), Anmerkung). In der Ausgabe 2023 ist ηfi = 0,7 festgelegt (Abschn. 6.2(1)).

Derselbe Abschnitt verlangt außerdem, dass Tabellenwerte korrigiert werden, wenn die Grundannahmen nicht zutreffen, und schließt ihre Verwendung aus, wenn die Materialfaktoren gemäß Anhang A von EN 1992-1-1 geändert wurden.

2. Der Feuchtegehalt ist nicht mehr nur ein Prozentwert – er ist jetzt Teil des Entscheidungsprozesses.

Das Grundprinzip bleibt in beiden Ausgaben gleich: Starke Abplatzungen müssen vermieden werden, oder ihre Auswirkung auf das Tragverhalten muss berücksichtigt werden.

Die Behandlung der Feuchte hat sich jedoch geändert:

• 2004: Explosive Abplatzungen wurden mit einem Feuchtegrenzwert in Masseprozent verknüpft, wobei der empfohlene Wert vom Nationalen Anhang festgelegt wurde.
• 2023: Der feste Prozentwert entfällt. Der Feuchtegehalt wird nun zusammen mit weiteren Faktoren betrachtet, die Abplatzungen beeinflussen können, darunter Exposition, Belastung, Behinderung, Geometrie, Gesteinskörnung, Zusätze, Luftgehalt, Fasern, Durchlässigkeit und Festigkeit.

Die Ausgabe 2023 führt außerdem eine eigene Entscheidungstabelle (Tabelle 10.1) ein. Sie verknüpft die Bewertung mit vier wesentlichen Eingangsgrößen: Feuerwiderstandsdauer, Feuchtezustand, Betonfestigkeit und Silikastaubgehalt.

Mit anderen Worten: Die Feuchte ist nicht mehr ein einzelner zu prüfender Wert – sie ist ein Baustein einer umfassenderen Bewertung der Abplatzungen.

3. Die 500-°C-Isotherme entfällt – und Temperaturdiagramme weichen Formeln.

Die Ausgabe 2004 bot im informativen Anhang B zwei Methoden mit reduziertem Querschnitt an, die 500-°C-Isothermenmethode und die Zonenmethode (2004, 4.2.3, B.1.1(3) bis (4), B.2(3)). Der Text von 2023 enthält keine 500-°C-Isothermenmethode, und Abschn. 7.3.2 verwendet ausschließlich die Logik der Zonenmethode.

Warum sich Ergebnisse über Teil 1-1 ändern – EN 1992-1-2 ist als Ergänzung zur Bemessung bei Normaltemperatur verfasst. Sie benennt Abweichungen von und Ergänzungen zu EN 1992-1-1 und verweist auf die Ausgabe 2023 dieser Norm als datierten normativen Verweis (Abschn. 1.1(1)).

Dieser Zusammenhang wird beim vereinfachten Biegenachweis besonders deutlich:

• MRd,fi ist gültig, sofern nicht As,prov/As,req > 1,3 gilt (Abschn. 7.3.3.2, Gleichung 7.18).
• Sowohl MEd als auch As,req stammen aus EN 1992-1-1.
• Das Verfahren von 2023 mittelt die temperaturbedingt reduzierte Festigkeit über die einzelnen Zugstäbe.

Was hat sich noch geändert?

EN 1992-1-1 selbst wurde geändert. Die zweite Generation bringt überarbeitete Regeln für Querkraft und Torsion, einen erweiterten Anwendungsbereich mit Brücken, Flüssigkeitsbehältern und Umschließungsstrukturen, CFK-Verstärkung und stahlfaserbewehrtem Beton sowie neue Anhänge für die Bewertung und Verstärkung bestehender Strukturen.

Querkraft und Torsion wandern aus einem informativen Anhang in den Haupttext. In der Ausgabe 2004 stand das Berechnungsverfahren für Querkraft, Torsion und Verankerung im informativen Anhang D, der den Hinweis enthielt, dass Querkraftversagen infolge Brand sehr selten sind und die angegebenen Verfahren nicht vollständig verifiziert wurden (2004, Anhang D). Die Ausgabe 2023 ordnet Querkraft und Torsion in Abschn. 7.3.5 innerhalb der vereinfachten Bemessungsverfahren ein und verlagert die Verankerung in die Konstruktionsregeln, wo die Verankerungs- und Übergreifungslängen im Brandfall den Werten bei Normaltemperatur gleichgesetzt werden dürfen (Abschn. 9.2(1)).

Der tabellarische Weg bleibt in dieser Hinsicht unverändert. Werden die Mindestabmessungen aus Abschn. 6 eingehalten, dürfen weitere Nachweise für Querkraft, Torsion und Verankerung entfallen (Abschn. 6.1(7); 2004, 5.1(3)). Die Änderung betrifft rechnerisch nachgewiesene Bauteile. Abschn. 7.3.5 unterscheidet zwei Fälle:

• Bauteile mit Querkraftbewehrung (Abschn. 7.3.5.3). Es gilt der reduzierte Querschnitt nach Abschn. 7.3.2, und die Betonfestigkeit wird im Punkt M angesetzt. Die Festigkeit der Bügel wird mit der Temperatur im Punkt P reduziert, dem Schnittpunkt des Bügels mit dem Querschnitt in halber Stegtiefe. (Siehe Abbildung unten) Die Querkraftverfahren nach EN 1992-1-1 werden anschließend auf den reduzierten Querschnitt angewendet. Bei Flachdecken werden vertikale Bügel oder Dübel nur dort angesetzt, wo sie die maßgebende Versagensfläche in der reduzierten Geometrie schneiden, und die Torsion folgt derselben Logik (Abschn. 7.3.5.3(6), 7.3.5.4).
• Bauteile, deren Querkrafttragfähigkeit von der Betonzugfestigkeit abhängt (Abschn. 7.3.5.2). Bei vorgespannten Bauteilen sowie unbewehrten oder schwach bewehrten Bauteilen müssen die durch nichtlineare Temperaturverteilungen verursachten Zugspannungen besonders berücksichtigt werden, beispielsweise bei Hohlplatten und dicken Trägern. Die Zugfestigkeit wird ansonsten vernachlässigt, und wo sie angesetzt wird, folgt die Reduktion den Gleichungen (5.21) und (5.22) (Abschn. 5.3.1.2).

Neue Ausgabe, neue Gliederung: Wo Sie finden, was Sie brauchen

Und dann gibt es noch die Neuerungen

• Weniger national festzulegende Parameter – Das Vorwort von 2004 nennt sechzehn Abschnitte, die der nationalen Festlegung unterliegen. Das Vorwort von 2023 nennt drei Abschnitte. Nicht mehr national festzulegen sind: der Bereich der Wärmeleitfähigkeit, der Feuchtegrenzwert, die Grenze der Exzentrizität bei Methode A, das Referenz-Lastniveau ηfi und die Entscheidung, ob allgemeine Verfahren angewendet werden dürfen. (2023 0.5; 2004 Vorwort, 3.3.3, 4.1, 4.5.1, 5.2(3), 5.3.2)
• Methode A, Exzentrizität – Die Exzentrizität nach Theorie I. Ordnung im Brandfall ist auf ein Viertel der Querschnittsabmessung begrenzt und in der Norm festgelegt. Der empfohlene Wert von 2004 betrug 0,15h. (2023, 6.3.2.2(2)b; 2004, 5.3.2(2))
• Abkühlphase – Gleichungen geben die Festigkeit von Beton an, der auf eine Spitzentemperatur erhitzt und wieder auf 20 °C abgekühlt wurde. Der Text von 2004 besagte lediglich, dass ein möglicher Festigkeitszuwachs beim Abkühlen nicht angesetzt werden darf. (2023, 5.3.1.1(5), 4.3(1); 2004, 3.2.2.1(7))

Der IDEA StatiCa Ansatz: Querschnittsnachweis heute und in Zukunft

Was RCS abdeckt

IDEA StatiCa RCS-Anwendung beantwortet schnell eine Frage: Besteht ein Querschnitt den Nachweis nach den Tabellenwerten? Diese Grenze sollte genau benannt werden, denn an ihr trennt die zweite Generation das tabellarische Verfahren von den Berechnungsverfahren. Der Feuerwiderstand ist in RCS für Platten, Wände, Träger, Stützen und schlanke Stützen verfügbar. Die Funktion wird im Projektassistenten als Feuerwiderstand EN 1992-1-2:2006-11 ausgewählt.

• Stützen – Methode A und Methode B
• Träger – Nur Rechteck-, T- und I-Querschnitte. Einfeld- und Durchlaufträger müssen unterschieden werden, und bei einem Durchlaufträger muss die Lage des Querschnitts entlang des Trägers festgelegt werden, was den Nachweis erheblich beeinflusst. Geprüft werden die Stegbreite und der Abstand von der äußeren Bewehrungslage zur nächstgelegenen beflammten Oberfläche.
• Platten – Einachsig und zweiachsig gespannte Platten, eine durchlaufende Platte auf Wänden und eine durchlaufende Platte auf Stützen.
• Wände – Tragende Wände und nichttragende Wände

Warum auf Tabellen vertrauen, wenn sich die tatsächliche Temperatur berechnen lässt?

Tabellen sind ein schneller Weg, den Feuerwiderstand nachzuweisen, decken aber nur bestimmte Querschnittsformen, Abmessungen, Achsabstände und Brandbedingungen ab. 

Das funktioniert bei Neuplanungen, bei denen der Querschnitt angepasst werden kann, wenn der Nachweis nicht erfüllt ist. Bei bestehenden Bauteilen ist die Geometrie jedoch bereits festgelegt – und für einen Querschnitt, der die Tabellenwerte um nur wenige Millimeter verfehlt, gibt es keine tabellarische Lösung.

Hier macht die Berechnung des tatsächlichen Temperaturfelds den Unterschied. Statt auf vordefinierte Werte zurückzugreifen, können Sie berechnen, wie sich die Wärme im realen Querschnitt ausbreitet, und mit diesen Temperaturen die Tragfähigkeit nachweisen. Die Section-Anwendung leistet genau das – sie analysiert den tatsächlichen Querschnitt und die Anordnung der Bewehrung und weist anschließend den Feuerwiderstand auf Grundlage der berechneten Temperaturen nach.

Was die neue Section-Anwendung bietet

Sehen Sie sich ein Beispiel eines Dachbinders in Section an. Ein Tabellennachweis liefert für einen Achsabstand nur ein Ja oder Nein. Mit der Section-Anwendung liefert derselbe Querschnitt eine Ausnutzung. Um zu zeigen, wie das allgemeine Verfahren an einem realen Bauteil aussieht, haben wir einen Dachbinder in der Section-Anwendung (BETA) untersucht. Die Brandsituation wird im selben Projekt wie die Nachweise bei Normaltemperatur aktiviert, es gibt also kein zweites Modell. Die Lasteffekte im Brandfall werden als eigene Gruppe eingegeben, getrennt von den Lasteffekten für GZT und GZG, da sich die Schnittgrößen im Brandfall von denen bei Normaltemperatur unterscheiden.

Der modellierte Querschnitt ist ein 1140 mm hoher I-Träger als Fertigteil mit mehreren Stabdurchmessern und einer auf die Anforderungen des Herstellers optimierten Anordnung. Die Feuerwiderstandsklasse ist R60; als Brandkurve dient die Einheits-Temperaturzeitkurve nach EN 1991-1-2; die beflammten Seiten sind die Unterseite sowie die linke und die rechte Seite. Der Anwender wählt die beflammten Seiten aus vier Optionen (oben, unten, links, rechts – siehe Abbildungen unten), und die Anwendung leitet daraus die tatsächlich beflammten Ränder ab, die rot dargestellt werden, auch an einspringenden Ecken wie den Übergängen zwischen Steg und Gurt. Der Querschnitt liegt in Feldmitte, und seine Belastung ist im Beispiel ausschließlich ein Biegemoment.

Temperaturverteilung – Die Anwendung vernetzt den Querschnitt mit einem feineren Netz und berechnet das Temperaturfeld in Zeitschritten bis zu 60 Minuten (hier 60 Minuten, insgesamt bis zu 240 Minuten). In der Heatmap sind die Unterseite und die unteren Ecken am heißesten, und die Temperatur fällt zur Stegmitte hin steil ab. Die Datenansicht listet die Temperatur der Betonelemente und jedes einzelnen Stabes auf. So erreicht beispielsweise der unterste Eckstab 480 °C, während die Stäbe in der Mitte des Obergurts nahezu Raumtemperatur haben. Eine Tabelle kann diese Streuung nicht abbilden; sie arbeitet mit einem einzigen nominellen Achsabstand.

Aus diesen Temperaturen leitet die Anwendung die reduzierten Materialeigenschaften ab, und zwar mithilfe von Abminderungsbeiwerten für die Betonfestigkeit, die Streckgrenze und die Proportionalitätsgrenze der Bewehrung sowie den Elastizitätsmodul. Dabei werden die Abminderungsbeiwerte nach EN 1992-1-2 verwendet. Die Beiwertkarte zeigt, was den Nachweis tatsächlich maßgebend bestimmt. In diesem Träger behält der unterste Stab 60 % seiner Streckgrenze, und der Beton in den Ecken des Untergurts behält etwa 6 % seiner Festigkeit. Nicht zuletzt verwendet die Section-Anwendung Formeln, damit sich das Ergebnis leicht nachvollziehen lässt. Der Biegenachweis ist beispielsweise dieselbe Berechnung wie bei Normaltemperatur, nun mit den reduzierten Festigkeiten ausgewertet.

Fazit

Ob ein Ingenieur die zweite Generation von EN 1992-1-2 direkt liest oder die Software die Arbeit erledigen lässt, der Ausgangspunkt ist derselbe. Tabellenwerte bleiben der schnelle, auf der sicheren Seite liegende Nachweis für neue, regelmäßige Bauteile. Für alle, die die Norm durcharbeiten, zeigen die oben behandelten Änderungen, wo sich die Regeln von 2023 von der Ausgabe 2004 unterscheiden. Wenn die Tabelle nicht erfüllt ist oder nicht anwendbar ist, verweist die Norm auf allgemeine Berechnungsverfahren, und die Section-Anwendung geht genau diesen Weg: Sie ermittelt die Temperatur jedes Stabes und jedes Betonelements, wendet die reduzierten Materialeigenschaften an und liefert statt eines Bestanden/Nicht bestanden eine Ausnutzung. Da sie das tatsächliche Verhalten des Querschnitts abbildet, ist sie eine bequeme, schnelle und präzise Alternative zum tabellarischen Verfahren.