BRANDSCHUTZ - Bauko-Holzbau · BSc2.5: Bauphysik & Brandschutz Dipl.Prof. Dr.-Ing. D. -Ing. S....

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BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz 1 Prof. Dr.-Ing. S. Anders Dipl.-Ing. D. Toris vorbeugender baulicher & anlagentechnischer ___________________________________________ BRANDSCHUTZ ___________________________________________

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  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    1Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    vorbeugender baulicher & anlagentechnischer___________________________________________

    BRANDSCHUTZ___________________________________________

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    Rechtliche Grundlagen: Schutzziele§3 (1)„Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zu ändernund instand zu halten, dass die öffentliche Sicherheit und Ordnung, insbesondere Leben, Gesundheit und die natürlichen Lebensgrundlagen, nicht gefährdet werden. [...]“

    §14„Bauliche Anlagen sind so anzuordnen, zu errichten, zuändern und instand zu halten, dass der Entstehung einesBrandes und der Ausbreitung von Feuer und Rauch vor-gebeugt wird und bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren sowie wirksame Löschmaßnahmenmöglich sind“

    Musterbauordnung 2002

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    Rechtliche Grundlagen: Anforderungen

    allgemeine Schutzziele

    • Leben

    • Gesundheit

    • natürliche Lebensgrundlagen

    sichern!

    funktionale Anforderungen

    • Brandentstehung

    • Brandausbreitung

    verhindern!

    • Flucht und Rettung

    • Brandbekämpfung

    ermöglichen!

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    Schutzziel funktionaleAnforderung

    Leistungskriterium

    Leben und Gesundheit von Menschen

    Nutzbarkeit der Fluchtwege

    Mindesthöhe der raucharmen Schichtvon 2,5 m

    Verhinderung der Brandausbreitung

    Feuerwiderstandsfähigkeit der BauteileF90

    Wofür? Wie? Worüber?

    Rechtliche Grundlagen: materielle Vorgaben

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    Formen der materiellen VorgabePrescriptiv: Geometrie, Baustoff, Konstruktion

    z.B.: Betonüberdeckung > 5 mm

    Bewehrung

    Beton

    Überdeckung

    Leistungsbasiert: Eigenschaften, Auswirkung

    z.B.: die Betonüberdeckung wird sogewählt, dass bei einem Branddie Bewehrungstemperatur unter500 °C bleibt!

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    Formen der materiellen Vorgabe

    LeistungsbasiertPrescriptiv

    • fehlende Transparenz

    • hoher Restriktionsgrad

    • abschliessender Charakter

    • hoher juristischer Schutz

    • hohe Eigenverantwortung

    • objektgebunden

    • Prinzip der Angemessenheit

    • Kompettenz - Wettbewerb

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    Baulicher Brandschutz

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    vergleichenderNachweis der Brandsicherheit

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    materielle Vorgaben: prescriptiv

    DIN

    410

    2 Te

    il 4

    (bei

    spie

    lhaf

    t)

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    materielle Vorgaben: prescriptiv

    DIN 4102 Teil 4 (beispielhaft)

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    LeistungsbasierterNachweis der Brandsicherheit

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    materielle Vorgaben: leistungsbasiert§3 Allgemeine Anforderungen

    (1) […] Die der Wahrung dieser Belange dienenden allgemein anerkannten Regeln der Technik sind zu beachten. Von diesen Regeln kann abgewichen werden,wenn eine andere Lösung in gleicher Weise die allgemeinen Anforderungendes Satzes 1 erfüllt.

    von prescriptiven materiellen Vorgaben, diein anerkannten Regeln der Technik gemachtwerden, kann abgewichen werden wenn die Brandsicherheit dabei nicht abgemindert wird!

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    materielle Vorgaben: leistungsbasiertWie kann festgestellt werden, ob die Brandsicherheitmit alternativen Maßnahmen abgemindert wird oder nicht?

    In dem die Brandsicherheit quantifiziert wird!

    • Hinterfragung der Zielvorstellung einer oder mehrerer prescriptiver materieller Vorgaben

    • Formulierung der zugeordneten funktionalen Anforderung

    • Auswahl der alternativen, brandschutztechnischen Maß-nahme und Bestimmung eines adequaten Leistungs-kriteriums

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    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Material,Geometrie,stat. System

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

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    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

    Material,Geometrie,stat. System

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    materielle Vorgaben: leistungsbasiertBeispielhaft: Feuerwiderstandsklasse

    (4) Bei Decken eingeschossiger Gebäude werden keine Anforderungen an die Feuerwiderstandsklasse gestellt, wenn sich über der Decke nur das Dach

    oder ein nicht benutzbarer Dachraum befindet.

    Zielvorstellung

    Verhinderung der Brandausbreitung

    Ermöglichung der Flucht

    §34 Decken, (4) Bauo NRW

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    materielle Vorgaben: leistungsbasiert

    Ermöglichung der Flucht

    Begehbarkeit

    Tragfähigkeit

    Beispielhaft: Feuerwiderstandsklasse

    Leistungskriterium

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    materielle Vorgaben: leistungsbasiertBeispielhaft: Feuerwiderstandsklasse

    Verhinderung der Brandausbreitung

    Raumabschluss

    keine Durchlässigkeitvon Wärme und Rauch

    Leistungskriterium

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    Leistungskriterien: Baustoffe

    Quelle: DIN 4102 - 1

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    Leistungskriterien: Baustoffe

    Quelle: DIN 4102 - 1

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    Leistungskriterien: Baustoffe

    A1

    A2

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    Leistungskriterien: Baustoffe

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    Leistungskriterien: Baustoffe

    B1„schwer entflammbar“

    Quelle: DIN 4102 - 1

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    Leistungskriterien: Baustoffe

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    Leistungskriterien: Baustoffe

    Quelle: DIN 4102 - 1

    Kantenbeflammung

    Flächenbeflammung

    B2„normalentflammbar“

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    Leistungskriterien: BaustoffeB1 vs. B2

    Zündquelle Papierkorbin Raumecke

    Streichholzflamme

    Dauer derBeflammung

    10 min 15 s

    Leistungs-kriterium

    • Brennt nur bei äußererFlammeneinwirkung

    • Eigenbeitrag zur Brand-ausbreitung bleibtbegrenzt

    • Selbstständiges Weiter-brennen nach Entfernungder äußeren Flammebleibt zeitlich begrenzt(sonst B3, „leichtentflammbar“)

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    27Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Beispielhafte Zuordnung von Baustoffen„nicht brennbar“ A1

    • Sand, Kies, Lehm, Ton• Zement, Kalk, Anhydrit• Beton, Mauerwerk• Glas• Metalle (nicht fein verteilt!)mit Ausnahme von Alkali-und Erdalkalimetalle

    „nicht brennbar“ A2

    • Gipskartonplattenmit geschlossenerOberfläche

    „schwer entflammbar“ B1

    • Holzwolleleichtbauplatten• Mineralfaser – Mehrschicht – Leicht-bauplatten (mit Holzwolleschicht)

    • Gipskartonplatten mit gelochter Ober-fläche

    • Kunstharzputze• PVC – Rohre• Fußboden – Eichenparkett

    „normal entflammbar“ B2

    • Holz und Holzwerkstoffe mit niedrigerDichte

    • PVC – Rohre mit einer sehr kleinenSchichtdicke

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    28Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)

    • Funktion• Dauer des Funktionserhaltes

    bei Brandbeanspruchung• Brandverhalten der wesentlichen Bestandteile

    F30-A, T60, G90,...

    Funktion

    Dauer in MinutenBrandverhaltender Baustoffe

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    29Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)Funktionen:

    • Bauteile F

    • Sonderbauteilenichttragende Wände WTüren, Tore, Klappen TRohre und Formstücke LBrandschutzklappen KKabelabschottungen S

    Dauer:

    • Feuerhemmend 30• Hochfeuerhemmend 60• Feuerbeständig 90

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    30Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)

    F vs. W

    G G

    P

    F W

    kein Raumabschluss vs. Raumabschluss

    Wärmeq

    Wattebausch – Test zur Prüfungder Raumabschlussfunktion

    Raumabschlusse = Verhinderung des Durchtritts von Flammen und Wärme

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    31Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)

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    32Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)F vs. T

    Quelle: Kemper nach VdS Schadenverhütung, Köln• Insofern der Abschluss, betriebsbedingt, ständig geöffnet bleiben muss, ist sicher zu stellendass im Brandfall der Durchtritt von Flammen und Wärme (Wattebausch) verhindert wird

    • Die automatische Schließvorrichtung wird nur in dem Fall aktiviert, in dem der Brandherd (allgm. Flammen) in der Nähe des Abschlusses auftreten

    nicht Rauchmelder!

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    33Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)F vs. G

    • Als F-Verglasungen gelten lichtdurchlässige Bauteile, die dazu bestimmt sind, entsprechend ihrer Feuerwiderstandsdauer nicht nur die Ausbreitung von Feuer und Rauch sondern auch den Durchtritt von Wärmestrahlung zu verhindern. Die vom Feuer abgekehrte Oberfläche darf sich um nicht mehr als 140K (Mittelwert) bzw. 180K (größter Einzelwert) erwärmen. Ein angehaltener Wattebausch darf nicht zünden oder glimmen. F-Verglasungen werden im Brandfall undurchsichtig.

    • Als G-Verglasungen gelten lichtdurchlässige Bauteile, die dazu bestimmt sind, entsprechend ihrer Feuerwiderstandsdauer nur die Ausbreitung von Feuer oder Rauch zu verhindern. Der Durchtritt der Wärmestrahlung wird nicht verhindert. In der Regel bleiben G-Verglasungen im Brandfall durchsichtig. Nach bauauf-sichtlichen Vorschriften dürfen G-Verglasungen nur an Stellen eingebaut werden, an denen wegen des Brandschutzes keine Bedenken bestehen. Über die Zulässigkeit der Verwendung der G-Verglasungen entscheidet die örtliche Bauaufsichtsbehörde in jedem Einzelfall.

    Quelle: RFE GmbH

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    34Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)F vs. Brandwand

    Quelle: www.elkage.de, Kunze Ingenieurbüro für Bautechnik

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    35Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)

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  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    36Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (D)

    Que

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    37Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (EU)

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    38Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (EU)

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    39Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Leistungskriterien: Bauteile (EU)

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  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    40Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Material,Geometrie,stat. System

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

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    41Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

    Material,Geometrie,stat. System

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    42Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    genormte Temperaturzeitkurven

    Que

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    43Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    genormte Temperaturzeitkurven

    Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)

    Wohn- und Bürobrände, Hochbau allgemein

    abgeminderte ETK

    nichttragende, raumabschließende Außenbauteile

    Hydrocarbon – Kurve

    Öl- und Kunststoffbrände

    RABT/ZTV-ING-Tunnelkurve

    Richtlinie über die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln(RABT)

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    44Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einheitstemperaturzeitkurve

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

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    ]

    Zeit [min]

    1t8345 ΔT(t)

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    45Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    EinheitstemperaturzeitkurveVorteile

    •Objektübergreifende Vergleichbarkeit vonBauteilen (z.B. Feuerwiderstandsklassen)•In Prüfeinrichtungen reproduzierbareVersuchsrandbedingungen

    Nachteile

    •Keine objektbezogene Reflektierung derzu erwartenden Belastung (=Einwirkung)•Unrealistischer Anstieg über die gesamteBranddauer

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    46Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einheitstemperaturzeitkurve vs Real - Vollbrandversuch

    Que

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    03

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    47Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einheitstemperaturzeitkurve vs Real - Vollbrandversuch

    520 °C

    1065 °C1005 °C

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

    Branddauer [min]

    Rau

    mte

    mpe

    ratu

    r [°C

    ]

    VollbrandversuchCardington 2003

    ETK

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    48Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einflussfaktoren auf den Vollbrandverlauf

    • Ventilation

    • Brandlastbelegung

    • Brandlastart

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    49Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einflussfaktoren auf den Vollbrandverlauf

    Que

    lle: B

    lum

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    gber

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    • Maximaltemperatur

    • Dauer des Vollbrandes

    ÄquivalenteBranddauer

    täTmax

    Vollbranddauer

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    50Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einflussfaktoren: Ventilation

    Quelle: Blume, Dissert. TU Braunschweig, 2002

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    51Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einflussfaktoren: Brandlastbelegung

    Que

    lle: B

    lum

    e na

    ch In

    gber

    g

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    52Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einflussfaktoren: Brandlastart

    Quelle: http://www.fire.nist.gov/bfrlpubs/fire03/PDF/f03001.pdf

    Que

    lle: R

    ein

    & C

    o.

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    53Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Parametrisierte Temperaturzeitkurve

    Ventilation

    Brandlastbelegung

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    54Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    0

    200

    400

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    800

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    1200

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

    Szenario 0Szenario 1Szenario 2

    Parametrisierte Temperaturzeitkurve

    Szenario 0

    Szenario 2:mehr Brandgutgleiche Öffnungsfläche

    Szenario 1:gleiches Brandgutmehr Öffnungsfläche

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    55Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Brandsimulationsmodelle

    Feldmodelle

    Zonenmodelle

    •´Bestimmung der Raumtemperaturbei vorgegebenem Brandverlauf

    • Bestimmung des Brandverlaufsund der Raumtemperatur

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    56Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Temperaturen im Bauteil

    Betonquerschnitt – 3 seitig ETK - beflammt

    Que

    lle: f

    ib, H

    eft 3

    8

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    57Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Temperaturen im Bauteil

    Verbundstütze – 4 seitig ETK - beflammt

    Verampfung des Porenwassers

    Eckeneffekt

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    58Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Temperaturen im Bauteil

    Que

    lle: S

    ilva

    300VA50

    Temperaturentwicklung – ungeschütztes Stahlprofilfür verschiedene Massigkeiten (Profilfaktoren)

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    59Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Passiver Brandschutz Stahl

    Anstrich / Aufsprühung Einkapselung Einbetonierung

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    60Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Passiver Brandschutz Stahl

    Quelle: Klingsch, Der Prüfingenieur Heft 8

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    61Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Normierte Temperaturprofilez [mm]

    T [°C]400

    (R90) e1,92e1,95951(R60) e1,48e3,47840

    fp

    fp

    (R90) e5,77e3,42874(R60) e7,01e4,05739

    fp

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    TpTfTw,u

    Tp:

    Tf:

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    fpuw, ee-zgTT(z)

    g

    400eegTz

    R90 für mmC 3,9g

    R60 für mmC 2,8g

    fpuw,400

    z400

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    62Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Temperaturberechnung für Stahlprofile

    rflächeBauteilobe der an s Wärmeflusradiativer :qrflächeBauteilobe der an s Wärmeflusrkonvektive :q

    Stahl von Dichte :ρStahl von zität Wärmekapaspez. :c

    Länge m je Volumen:VLänge m je Oberfläche beflammte :A

    urtstemperatQuerschnit mittlere :TVρc

    Aqqdt

    dT

    r

    c

    p

    m

    m

    p

    mrc

    m

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    63Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Temperaturberechnung für Stahlprofile

    tEmissivitä :εKm

    W Konstante Boltzmann-Stefan :σ

    TTεσq

    K peraturBauteiltem mittlere :TK emperaturBrandraumt :T

    KmW izientgangskoeff Wärmeüber:α

    TTαq

    42

    4m

    4fir

    m

    fi

    2

    mfic

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    64Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: Temperaturberechnung für Stahlprofile

    41nm

    41nfi

    1n-r

    1nm

    1nfi

    1n-c

    1nn

    p

    m1n-r

    1n-c

    1nm

    nm

    1nn

    p

    m1n-r

    1n-c

    1nm

    nm

    p

    m1n-r

    1n-c1nn

    1nm

    nmerungDiskretisi

    p

    mrc

    m

    TTεσq und TTαq

    ttVρc

    AqqTT

    ttVρc

    AqqTT

    VρcAqq

    ttTT

    VρcAqq

    dtdT

    • kleine Zeitschritte erforderlich (explizites Verfahren)• Profile geringer Massigkeit mit annähernd gleich-mäßiger Temperaturverteilung über den Querschnitt

    • geeignet für ETK, parametrisierte Temperaturzeitkurvensimulierte Naturbrandtemperaturen

    • mit Tabellenkalkulationsprogrammen (z.B. Excel) durchführbar

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    65Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: computergestützte Temperaturfeldberechnung

    rqin

    ANSYS Thermal

    xT

    NIST FDS

    )(tQ

    )(xq

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    66Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: computergestützte Temperaturfeldberechnung

    • Wahl der Ausgabegrößen

    • Explizite Vorgabe des Brandverlaufs

    Q

    t

    &SURF ID='burner',HRRPUA=683.4, RAMP_Q='HRR',COLOR='WHITE' /

    &RAMP ID='HRR',T=769.6,F=0.8927 /

    .

    .

    .

    &BNDF QUANTITY=‘GAUGE HEAT FLUX' /

    bruttoeinq ,

    ausq

    nettoeinq , )( 4 )()(,, 4RefTTqq ANSYSOberflächeFDSbruttoeinnettoein

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    67Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Einwirkung: computergestützte TemperaturfeldberechnungDeckenunterseite & Stahlträger:

    Brutto – Wärmestrom nach t = 10 minFDS -> ANSYS

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    68Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Material,Geometrie,stat. System

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    69Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

    Material,Geometrie,stat. System

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    70Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Auswirkung: Hochtemperaturverhalten

    • Aufweichung (E-Modul, εgrenz)

    • Festigkeitsminderung

    • Zwang (Wärmeausdehnung)

    • Viskosität (Kriechen, Relaxation)

    Materialbedingt

    Systembedingt

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    71Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Auswirkung: AufweichungT0

    Tfi

    EfiE0

    εgr,0 εgr,fi

    σ

    ε

    IE96lFΔl0

    30

    0

    IE96lFΔlfi

    30

    0

    0fi ΔlΔl

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    0 200 400 600 800

    Bez

    ogen

    er E

    -Mod

    ul

    Temperatur

    Beton (Sekantenmodul)

    Stahl

    1

    1.5

    2

    2.5

    0 200 400 600 800 1000

    Bez

    ogen

    e G

    renz

    dehn

    ung

    Temperatur

    BetonBruchdehnung

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    72Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Auswirkung: FestigkeitsminderungT0

    Tfi

    σ

    ε

    βu,0

    βu,fi

    uo

    unten zIMσ

    u

    untenσ β

    σk

    fiσ,σ,0fiu,

    unten

    u,0

    untenfiu,u,0 kkβ

    σβ

    σββ

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    0 200 400 600 800

    Bez

    ogen

    e Fe

    stig

    keit

    Temperatur

    0

    0.5

    1

    0 400 800

    Temperatur

    Ausn

    utzu

    ngsg

    rad

    0,11 bei T = 20°C

    1,0 bei T = 800°C

    Stahl

    Beton (Sekantenmodul)

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    73Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Auswirkung: Zwang

    Que

    lle: H

    egge

    r, Be

    rtram

    , Der

    Prü

    finge

    nieu

    r 200

    9

    möglicher Versagensmechanismus WTC

    Que

    lle: N

    IST

    Auk

    luΔTαEσ mf

    0

    mTBauteil

    σBauteil größer mit:

    • größerem E, αT

    • größerem kf bzw. kleinerem um

    • größerer Bauteillänge l0System

    Material

    um

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    74Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Auswirkung: Viskosität

    Quelle: Dwaikat, Kodur

    Kriecheinfluss

    • Relaxation führt zumAbbau von Zwangs-spannungen

    • Kriechen verstärkt dieAufweichung desSystems

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    75Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Baustoff, Bauteil

    Objekt

    Schutzziel(e)

    Brandschutz

    Gebäude-geometrie,Nutzung,Zugänglichkeit,Brandlast usw.

    Material,Geometrie,stat. System

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Auswirkung (Effect)Ed

    funkt. Anforderung(e)

    Leistungskriterium

    Widerstand (Resistance)Rd

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    76Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur

    Einwirkung: Last (eingeprägt)

    Auswirkung: Spannung (abhängig von stat. System, Bauteilgeo-metrie, Material)

    Widerstand: Festigkeit (abhängig vom Material und dem Tem-peraturfeld)

    kritische Temperatur

    der Wert für den die Festigkeit des betrachtetenMaterials, dem Wert der beim Grenzzustand derTragfähigkeit anzunehmenden Spannung im Bau-teil entspricht (Ausnutzungsgrad = 1,0)!

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    77Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur

    Bsp.: betrachtet wird der Querschnitt einerStahlstütze, der im Grenzzustand der Tragfähigkeit eine Spannung von σ = 86 N/mm² aufweist. Bestimmen Siedie kritische Temperatur des Quer-schnitts, wenn seine Zugfestigkeitbei T = 20 °C, 360 N/mm² beträgt!

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    78Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Antw.: bei T = 20 °C, beträgt der Ausnutzungs-grad

    Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur

    0,2436086

    βσk

    C20T

    C20TC20T

    für die kritische Temperatur Tfi gilt

    C20TTTTT

    C20TTT σβ1,0β

    σkfi

    fi

    fi

    d.h. die kritische Temperatur ist derje-nige Wert, bei dem der betrachtete Stahlnur noch eine Festigkeit von 86 N/mm²aufweist!

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    79Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    00.05

    0.10.15

    0.20.25

    0.30.35

    0.40.45

    0.50.55

    0.60.65

    0.70.75

    0.80.85

    0.90.95

    0 200 400 600 800

    Bez

    ogen

    e Fe

    stig

    keit

    Temperatur

    0,2436086

    ββ

    k :Festigkeit bezogeneC20T

    TTTT

    fifi

    700

    Nachweisführung: Konzept der kritischen Temperatur

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    80Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Nachweisführung: allgemeines Format

    Material,Geometrie,stat. System

    Brandverlauf(„S“ Belastung, Einwirkung)

    Leistungskriterium

    Eεσσσσ KriechenRelaxationZwangStatik (T)fu

    Aufweichung, Zwang, Viskosität

    Tragfähigkeit (tragendes Bauteil)

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    81Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Typische Versagensformen (Leistungskriterien)

    Verwerfung infolge Zwang

    Quelle: Tapsir

    BetonabplatzungenFreilegung der Bewehrung

    Quelle: Bailey

    Quelle: Klingsch, Der Prüfingenieur 1996

    Lokales Beulen

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    82Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Anlagentechnischer Brandschutz

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    83Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Funktionale Anforderungen

    • Brandmeldung

    • Raumabschluss

    • Rauch- und Wärmeabzug

    • Brandbekämpfung

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    84Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    BrandmeldungBrandmelder

    selbsttätig auslösend handauslösend

    Rauchmelder Wärmemelder

    Ionisations-rauchmelder

    optischeRauchmelder

    Wärmediffe-rentialmelder

    Wärmemaxi-malmelder

    Ansprechempfindlichkeit

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    85Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    BrandmeldungAuslegungskriterien

    Ziel der Auslösung

    Überwachungsumfang(DIN 14675)

    Nutzungs- bzw. betriebs-bedingte Einschränkungen

    Ziele der Auslösung

    • rasche Flucht der Nutzer(Rauchmelder)

    • Verhinderung der Brand-ausbreitung(Wärmemelder)

    • Brandbekämpfung(Rauch- oder Wärmemelder)

    Nutzungs- bzw. betriebsbedingteEinschränkungen

    • Rauch enthält Rußpartikel(optische Rauchmelder)

    • Rauch enthält Aerosole oder die Umgebungsluftist staubpartikelbeladen(Ionisationsmelder)

    • betriebsbedingt hohe Umge-bungstemperaturen(Wärmedifferentialmelder)

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    86Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Raumabschluss

    Quelle: www.colt-info.de

    Quelle: Kemper nach VdS Schadenverhütung, Köln

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    87Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Rauch- und Wärmeabzug

    Quelle: www.fvlr.de

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    88Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Rauchabzug

    NR

    A

    Quelle: FVLR – Heft 12

    MR

    A

    Quelle: www.rwablog.de

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    89Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Rauchabzugabm

    RauchT

    MRA NRA

    qualitativ!

    mMassenstroraftAuftriebsk

    ρ T

    mMassenstroraftAuftriebsk

    ρ Teichung)Zustandsgl (aus

    ρ1~T

    uρ~ mMassenstro :MRAρρg~ kraft Auftriebs:NRA

    RauchRauch

    RauchRauch

    RauchRauch

    VentilatorRauch

    Rauch

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    90Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    TTRauch

    WindAußendruckAuftrieb

    Rauchabzug AuftrieblsAbsaugimpu

    TTRauch

    TTRauch

    WindAußendruckAuftrieb

    AuftrieblsAbsaugimpu

    TTRauch

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    91Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2

    • Der Grundriss muss ggf. durch Rauchschürzen so unterteilt werden,das kein Rauchabschnitt eine Fläche > 1600 m² aufweist

    • Die Höhe muss mindestens 3,0 m betragen

    • Einflussfaktoren: Raumhöhe, Vorhandensein von Rauchmelder und/oderSprinkler, Einsatzbedingungen für die Feuerwehr, Brandausbreitungs-geschwindigkeit

    Quelle: Hegger, 2003

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    92Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2tfi,d = tdet + tFWtfi,d : Brandentwicklungsdauertdet : Dauer bis zur BrandmeldungtFW : Dauer bis zur Ankunft der Löschkräfte

    Rauchmelder kein Rauchmeldertdet 0 min 10 min

    Werkfeurwehr üblich ungünstig bes. ungünstigtFW 5 min 10 min 15 min20 min

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    93Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    94Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Natürliche Entrauchung nach DIN 18232-2Bsp.: Rauchmelder vorhanden, H = 4,0 m, übliche Einsatzbedingungen

    für die Feuerwehr, mittlere Brandausbreitungsgeschwindigkeit,angestrebte Höhe der raucharmen Schicht 2,5 m

    Brandentwicklungsdauer (10 min)

    mittlere BrandausbreitungsgeschwindigkeitBemessungsgruppe 3

    Bemessungsgruppe

    Raumhöhe

    Angestrebte Höhe der raucharm. Schicht

    Aw = 4,7 m²

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    95Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Wärmeabzug

    Quelle: FVLR – Heft 19

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    96Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Brandbekämpfung

    • Handfeuerlöscher• Sprinkler, Sprühnebel,...• Feuerwehr

    VFdB Leitfaden

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    97Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Brandbekämpfung

    • Kühlung der Rauchgase

    • Verzögerung der Brandausbreitung

    • Verhinderung der BrandausbreitungQ

    uelle

    : ww

    w.s

    i-mag

    azin

    .de

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    98Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Brandbekämpfung

    Que

    lle: S

    chel

    l, Vd

    S Sc

    hade

    nver

    hütu

    ng

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    99Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Brandbekämpfung

    Quelle: EuroSprinkler

  • BSc 2.5: Bauphysik & Brandschutz

    100Prof. Dr.-Ing. S. AndersDipl.-Ing. D. Toris

    Brandbekämpfung