Brandschutznachweise von Bauteilen - Heißbemessung
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[email protected] e www.hhpberlin.com Ingenieure für Brandschutz GmbH Rotherstraße 19 10245 Berlin Dr.-Ing. Jochen Zehfuß Brandschutznachweise von Bauteilen - Heißbemessung Dr.-Ing. Jochen Zehfuß Niederlassungsleiter Hamburg hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
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Eurocodes, Naturbrandverfahren und Ausführungsbeispiele
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Brandschutznachweise von Bauteilen - Heißbemessung
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Inhalt• Einführung
- Problemstellung und klassischer Nachweis nach DIN 4102-4
• Eurocodes
- Brandschutzteile der Eurocodes
- Nachweisverfahren
• Naturbrandverfahren
- DIN EN 1991-1-2 und Nationaler Anhang
- Naturbrandmodelle
- Verfahren nach NA Anhang AA und Anhang C
- Sicherheitskonzept nach NA Anhang BB
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
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hhpberlin wurde im Jahr 2000 gegründet und ist
• Brandschutz aus einer Hand,
• vom ersten Konzept bis zur schlüsselfertigen Übergabe,
• vom Geschäftshaus bis zum Fußballstadion,
• deutschlandweit und international,
• ein Team von mehr als 80 Mitarbeitern,
• öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige,
Ingenieure, Architekten und Physikern,
• zahlreiche freie Mitarbeiter und strategische Partner,
• in Berlin, München, Hamburg und Frankfurt am Main
hhpberlin – Das Unternehmen
Der Berliner Hauptbahnhof
Die Geschäftsführung von hhpberlin – Margot Ehrlicher, Karsten Foth und Stefan Truthän
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Kompetenzen
hhpberlin steht für kompetenten Brandschutz aus einer Hand und bietet keinen
Brandschutz von der Stange.
• Unkonventionelle Brandschutzlösungen, statt Standardgutachten
• Intensive Kundenbetreuung und individuelle Problemanalyse
• Langjährige Erfahrung im Brandschutz
• Vertrauensverhältnis zu genehmigenden Behörden - Akzeptanz
maßgeschneiderte Brandschutznachweise und unkomplizierte
Baugenehmigungen
Brandschutz-konzepte
Brandschutz-konzepte
Ingenieur-methoden
Ingenieur-methoden
Bau-begleitung
Bau-begleitung
Brandschutz-dokumente
Brandschutz-dokumente
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• Jährlich mehr als 1000 Projekte
• Projekte in ganz Deutschlandsowie Auslandsprojekte in Russland, China, Italien, Schweiz, Ungarn und Vietnam
• Lehrter Bahnhof, Berlin
• Bundeskanzleramt, Berlin
• Color Line Arena, Hamburg
• Allianz Arena, München
• Flughafen BBI, Berlin
• Erweiterung A-West Flughafen Frankfurt/M
• NAH Hanoi, Vietnam
Referenzen
Bundeskanzleramt, Berlin
Allianz Arena, München
Hauptbahnhof, Berlin
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• Alstertal Einkaufszentrum, Hamburg (Parkgaragendeck),
• Lehrter Bahnhof Berlin
• Eurobahnhof, Saarbrücken (Stahlbetondecken),
• National Convention Centre, Hanoi (Dachtragwerk),
• Flughafen Berlin-Brandenburg BBI (Dachtragwerk Terminal),
• Boulevard Berlin, Berlin (Parkgaragendeck),
• Bahnhof Ostkreuz, Berlin (Bahnsteig- und Gleisbrückenkonstruktion),
• City-Tunnel, Leipzig (Fassadenkonstruktion),
• Volksbank Arena, Hamburg (Dachtragwerk, Stahlfachwerkträger),
• Bürogebäude Adidas LACES, Herzogenaurach (Stahlfachwerkträger)
Referenzen Heißbemessung
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Einführung
• Regelungen im Baurecht (LBauO, SonderbauVO,…)
• Schutzziele des Brandschutzes
• Übliche Vorgehensweise: Erfüllung Schutzziele präskriptiv
• Traditionelle (präskriptive) Brandschutzbemessung
- Konkrete materielle Anforderungen in den BauO bzw. SonderbauVO- Bemessung der Bauteile für ETK nach DIN 4102-4 / DIN 4102-22- VORTEIL: Einfache Bemessung (Bemessungstabellen)- NACHTEIL: Häufig konservativer Nachweis
Brandschutzbemessung in der Praxis
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=> Optimierung des Brandschutzes
Einführung
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• F 30 bei Gebäuden geringer Höhe
• F 60 bei Gebäuden mittlerer Höhe
• F 90 bei hohen Gebäuden
und Sonderbauten
• Bei „Normbemessung“
i. d. R. kostenintensive
Bekleidung erforderlich
0
200
400
600
800
1000
1200
0 15 30 45 60 75 90
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
]
Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)
natürliche Brände
Materielle Anforderungen in den BauO
Einführung
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Einführung
• Stringente Vorgaben für Feuerwiderstand der Bauteile in den BauO
- Höhere Anforderungen mit wachsender Gebäudehöhe
- Standsicherheit ist wesentliche Voraussetzung für Erfüllung der anderen
Schutzziele
- Wenn andere Schutzziele nicht erfüllt
=> Standsicherheit nicht unbedingt gefährdet
- Weitergehende Schutzinteressen
(kein Totalabriss => Sanierung nach Brand muss möglich sein)
Präskriptive Brandschutzbemessung
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• Präskriptiver Nachweis:
- Bei Einhaltung der materiellen Anforderungen in den BauO werden Schutzziele
erreicht
• Leistungsorientierter Nachweis:
- Schutzziele müssen konkretisiert werden
- Nachweis muss quantitativ geführt werden
- Nachweis mit Ingenieurmethoden (z. B. Eurocodes)
- Ganzheitliches Brandschutzkonzept erforderlich
Leistungsorientierter Nachweis und Ingenieurmethoden bilden eine Symbiose.
Nachweis Erfüllung der Schutzziele
Einführung
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Planungsverfahren
festgelegte Vorgaben(thermische Einwirkungen durch nominelle Brandkurven)
Analyse einesBauteils
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Analyse eines Teilsdes Bauwerks
Analyse des gesamtenBauwerks
Tabellierte Wertevereinfachte
Bemessungs-verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
vereinfachteBemessungs-
verfahren(falls verfügbar)
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Wahl dermechanischenEinwirkungen
leistungsabhängige Festlegungen(physikalisch bedingte thermische Einwirkungen)
Analyse einesBauteils
Analyse eines Teilsdes Bauwerks
Analyse des gesamtenBauwerks
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Wahl dermechanischenEinwirkungen
vereinfachteBemessungs-
verfahren(falls verfügbar)
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
Wahl vereinfachter oder genauer Modelle zur Brandentwicklung
Planungsverfahren
festgelegte Vorgaben(thermische Einwirkungen durch nominelle Brandkurven)
Analyse einesBauteils
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Analyse eines Teilsdes Bauwerks
Analyse des gesamtenBauwerks
Tabellierte Wertevereinfachte
Bemessungs-verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
vereinfachteBemessungs-
verfahren(falls verfügbar)
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Wahl dermechanischenEinwirkungen
leistungsabhängige Festlegungen(physikalisch bedingte thermische Einwirkungen)
Analyse einesBauteils
Analyse eines Teilsdes Bauwerks
Analyse des gesamtenBauwerks
Analyse einesBauteils
Analyse eines Teilsdes Bauwerks
Analyse des gesamtenBauwerks
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Wahl dermechanischenEinwirkungen
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Bestimmung dermechanischen
Einwirkungen undRandbedingungen
Wahl dermechanischenEinwirkungen
vereinfachteBemessungs-
verfahren(falls verfügbar)
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
vereinfachteBemessungs-
verfahren(falls verfügbar)
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
allgemeineBemessungs-
verfahren
Wahl vereinfachter oder genauer Modelle zur Brandentwicklung
LeistungsorientierteBrandschutzbemessungnach Eurocode
Einführung
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• Brandschutzanforderungen im Baurecht
• Bisher Brandschutztechnische Nachweise von Bauteilen nach DIN 4102-4
• Grundlage der DIN 4102 ist die Einheitstemperaturzeitkurve
• Nachweise in DIN 4102-4 sind i. d. R. aus Brandversuchen abgeleitet
• DIN 4102-4 letzte Novellierung März 1994
• Künftige Regelungen: Brandschutzteile der Eurocodes
Bisherige Brandschutzbemessung
Einführung
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DIN 4102 historisch
Einführung
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DIN 4102-4 03/1994
Einführung
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Brandversuchsstand
Einführung
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Specimen
Brandversuchsstand für Deckenprüfungen
Einführung
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Inhalt
• Einführung
- Problemstellung und klassischer Nachweis nach DIN 4102-4
• Eurocodes
- Brandschutzteile der Eurocodes
- Nachweisverfahren
• Naturbrandverfahren
- DIN EN 1991-1-2 und Nationaler Anhang
- Naturbrandmodelle
- Verfahren nach NA Anhang AA und Anhang C
- Sicherheitskonzept nach NA Anhang BB
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
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DIN EN 1991-1-2 Eurocode 1 - Grundlagen und Einwirkungen
DIN EN 1992-1-2 Eurocode 2 - Stahlbeton- und Spannbetontragwerke
DIN EN 1993-1-2 Eurocode 3 - Stahlbauten
DIN EN 1994-1-2 Eurocode 4 - Verbundtragwerke aus Stahl und Beton
DIN EN 1995-1-2 Eurocode 5 - Holzbauten
DIN EN 1996-1-2 Eurocode 6 - Mauerwerksbauten
Eurocode-Brandschutzteile
Eurocodes
DIN EN 1992-1-2 bis 1995-1-2 im Vergleich zu Vornormen prinzipiell unverändert
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• Stufe 1: Tabellarische Daten - Einzelbauteile
- Mindestabmessungen usw. analog DIN 4102 Teil 4
• Stufe 2: Vereinfachte Rechenverfahren Einzelbauteile- ingenieurmäßige Nachweise für die Praxis
• Stufe 3: Allgemeine Rechenverfahren - Teiltragwerke, Gesamttragwerk
- „exakte“ rechnerische Brandsimulation für beliebige Temperaturbeanspruchung
Nachweisverfahren in 3 Stufen:
Nachweiskonzept der EC-x-1-2
Eurocodes
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Bemessungsverfahren
Eurocodes
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Überprüfung der Querschnittsabmessungen
und Achsabstände ähnlich wie in DIN 4102-4h
b > bmin ?
a > amin ?
Stufe 1 – Tabellarische Daten
Eurocodes
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• Anwendung für Einzelbauteile
• Ingenieurmäßige Nachweise für die Praxis
• Temperaturabhängige Verkleinerung des Betonquerschnitts
• Temperaturabhängige Reduktion der Festigkeit des Betons und Betonstahls
• Tragfähigkeitsberechnung nach Plastizitätstheorie mit reduziertem
Querschnitt
=> wie bei Bemessung für Gebrauchslasten
Stufe 2 – Vereinfachtes Rechenverfahren
Eurocodes
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w
az
b/2
az
az b´ az
a zh´
b/2 w
h
kc () für Beton
w
1
Temperaturabhängige Querschnittsverkleinerung
Eurocodes
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h'
b
b'
h
az
az
az
Fc,fi (t) = y·b'·kc(c)·fck
z
y
Nachweisgleichung:
Rd,fi(t) = Fs,fi(t) · z Msd,fi = Ed,fi
Fs,fi (t) = As·ks(s)·fyk
Tragfähigkeitsberechnung
Eurocodes
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Thermische Analyse• Ermittlung des Wärmestroms auf die Bauteile infolge der
Temperaturbeanspruchung• Berechnung der Temperaturverteilung im Querschnitt
Mechanische Analyse• Gleichgewichtszustand im Querschnitt• thermische Dehnung• Eigenspannungen• Gleichgewichtszustand für das Tragsystem• Zwangspannungen• geometrische Imperfektionen (Theorie II. Ordnung)
T1T2
T3
Stufe 3 – Allgemeines Rechenverfahren
Eurocodes
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thermisch mechanisch
Temperaturabhängige Materialeigenschaften Beton
Eurocodes
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'''
p x y z
T T T Tc ( ) ( ) ( ) q
t x x y y z zWärmeleitung
Thermische Analyse
Eurocodes
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-0.004 0 0.004 0.008Dehnung [-]
Temperatur
0 200 400 600Temperatur [°C]
th
th
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02Dehnung [-]
be
z. S
pa
nn
un
g s(T
) / fy
k
20°C400°C
600°C
800°C
Mechanische Analyse
Eurocodes
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Mechanische Analyse
Eurocodes
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Inhalt
• Einführung
- Problemstellung und klassischer Nachweis nach DIN 4102-4
• Eurocodes
- Brandschutzteile der Eurocodes
- Nachweisverfahren
• Naturbrandverfahren
- DIN EN 1991-1-2 und Nationaler Anhang
- Naturbrandmodelle
- Verfahren nach NA Anhang AA und Anhang C
- Sicherheitskonzept nach NA Anhang BB
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
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DIN EN 1991-1-2
Naturbrandverfahren
Neuheit für Eurocode 1 Teil 1-2: Im NA werden die Naturbrandverfahren grundsätzlich erlaubt !
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• Hauptteil
- Allgemeines
- Verfahren zur Tragwerksbemessung
im Brandfall
- Thermische Einwirkungen für die
Temperaturberechnung
- Mechanische Einwirkungen für die
Tragfähigkeitsberechnung
DIN EN 1991-1-2
• Anhänge
- Parametrische Temperaturzeitkurven
- Thermische Einwirkungen auf
außenliegende Bauteile
- Lokale Brände
- Erweiterte Brandmodelle
- Brandlastdichten
- Äquivalente Branddauer
- Konfigurationsfaktor
Naturbrandverfahren
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• Nominelle Temperaturzeitkurven
- Einheitstemperaturzeitkurve
- Außenbrandkurve
- Hydrocarbonkurve
• Vereinfachte Naturbrandmodelle
• Allgemeine Naturbrandmodelle
Thermische Einwirkungen
Naturbrandverfahren
0
200
400
600
800
1000
1200
0 30 60 90 120 150 180
Zeit [min]
Te
mp
era
tur
[°C
] Einheitstemperaturzeitkurve
Externe Brandkurve
Hydrokarbonkurve
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• Basieren auf bestimmten physikalischen Größen, die nur in bestimmten
Grenzen angewendet werden können.
• Für Vollbrände wird eine gleichmäßige zeitabhängige Temperaturverteilung
angenommen.
• Eingangsparameter
- Brandlastdichte
- Raumgeometrie
- Ventilationsöffnungen
Vereinfachte Naturbrandmodelle
Naturbrandverfahren
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
] ..
T= (T1-T0)/tYּ 1²t ²+ T0
für t1 > =t
T = (T2-T1)((t-t1)/(t2-t1))1/2+T1
für t1 < t <= t2
T = (T3-T2)((t-t2)/(t3-t2))1/2+T2
für t > t2
Bereich 1 Bereich 2 Bereich 3
(t1;T1)(t3;T3)
(t2;T2)
(t0;T0)
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• Nachteile
- Brandentstehungsphase wird nicht berücksichtigt
- liefern gleichförmige Temperaturverteilung
- sehr viele Fallunterscheidungen erforderlich
=> nicht anwenderfreundlich
- für ventilationsgesteuerte Brände abgeleitet worden
(brandlastgesteuerte Brände werden stark vereinfacht berücksichtigt)
- nicht kongruent zum Bemessungsbrand (Energiefreisetzungsrate)
=> Anwendung im NA für Deutschland verboten
Parametrische Kurven nach DIN EN 1991-1-2 Anhang A
Naturbrandverfahren
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0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60Zeit [min]
Tem
pe
ratu
r [°
C]
0
10
20
30
40
En
erg
iefr
eis
etz
un
gsr
ate
[M
W]
Temperatur Versuch
Temperatur EN 1991
Energiefreisetzung EN1991
Beispiel Versuch „BRE No. 2“ (NFSC2)
Widerspruch zwischen DIN EN 1991-1-2 Anhang A und Anhang E
Naturbrandverfahren
O = 0,10 m0,5; b = 800 J/(m²s0,5K);q = 40 kg/m²; Af = 144 m²
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• Ein-Zonenmodelle
• Mehr-Zonenmodelle
• Feldmodelle (CFD-Modelle)
Allgemeine Naturbrandmodelle
Naturbrandverfahren
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Vereinfachte ModelleVereinfachte Modelle Allgemeine ModelleAllgemeine Modelle
Plume-Modelle, z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY
Plume-Modelle, z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY
Zonen-Modelle, z.B. CFAST, MRFC, FIGARO
Zonen-Modelle, z.B. CFAST, MRFC, FIGARO
CFD-Modelle, z.B. FDS, CFX, COBRA, FLUENT
CFD-Modelle, z.B. FDS, CFX, COBRA, FLUENT
AufwandAufwandgeringgering hochhoch
Naturbrandmodelle
Naturbrandverfahren
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• Voll entwickelte Brände
(Raumbrände, Brände in
Nutzungseinheiten)
Naturbrandverfahren
• Lokale Brände (z. B.
Plume-Modelle) für
Atrien, große Hallen,
Freibrände
• Externe Brände
(Außenbrände,
Fassade)
Anwendungsbereich von Naturbrandmodellen
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• Anhänge
- Parametrische Temperaturzeitkurven
=> im NA nicht zugelassen, Ersatz Anhang AA im NA
- Thermische Einwirkungen auf außenliegende Bauteile
- Lokale Brände
- Erweiterte Brandmodelle
- Brandlastdichten
=> im NA nicht zugelassen, Ersatz Anhang BB im NA
- Äquivalente Branddauer
=> im NA nicht zugelassen, kein Ersatz (für Industriebau gilt DIN 18230-1)
- Konfigurationsfaktor
DIN EN 1991-1-2 Anhänge
Naturbrandverfahren
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• Voraussichtliche Veröffentlichung Mai 2010
• National festgelegte Parameter
• Anhänge
- Anhang AA Parametrische Tempertaturzeitkurven (normativ)
- Anhang BB Eingangsdaten für die Anwendung von Naturbrandmodellen (normativ)
- Anhang CC Prüfung und Validierung von Rechenprogramm für
Brandschutznachweise mittels allgemeiner Rechenverfahren (informativ)
Nationaler Anhang zu DIN EN 1991-1-2
Naturbrandverfahren
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Brandlast
MaterialMasse
Ort im Brandraum Stapeldichte
Ventilation
Öffnungsfläche und -höhe
ZwangsluftzufuhrEntlüftung
Brandraum
Geometriethermische Eigen-schaften der um-
gebenden Bauteile
Naturbrandverfahren
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Zeit
Energ
iefr
eis
etz
ungsra
te
2
0
g
tQ(t) Q
t
max max,v max,fQ MIN Q ; Q
t1 t2 t3
Entwick-lungs-phase Vollbrandphase Abklingphase
70% der Brandlast verbrannt
Wärmefreisetzungsrate
Naturbrandverfahren
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Zeit [min]
Te
mp
era
tur
[°C
]
En
erg
iefr
eis
etz
un
gsra
te [
MW
]
T2
t2
T3
t3
T1
t1
Heißgastemperatur-zeitkurve
Wärmefrei-setzungsrate
Vereinfachtes Modell für Vollbrände
Naturbrandverfahren
Korrelation des zeitlichen Verlaufs
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Naturbrandverfahren
Parametr. Temperaturzeitkurven nach NA Anhang AA
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Naturbrandverfahren
• Verfahren nach Heskestad/Hasemi
• Randbedingungen
- lokaler Brand
- Räume > 400 m²
- Wärmefreisetzungsrate < 50 MW
- D <= 10 m
- Brandlastdichte >= 250 kW/m²
Lokale Brände Verfahren nach DIN EN 1991-1-2 Anhang C
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Naturbrandverfahren
Flammen erreichen nicht die Decke
Plumeformeln nach Heskestad
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Naturbrandverfahren
Flammen erreichen die Decke
Hasemi-Korrelationen
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- Der Eurocode (DIN EN 1991-1-2) lässt für die Bemessung auch Naturbrände zu
aber: viele europäische Länder haben aufgrund von Mängeln im Sicherheitskonzept nach DIN EN 1991-1-2 Anhang E die Einführung abgelehnt
- Entwicklung eines neuen Sicherheitskonzepts am iBMB der TU Braunschweig
- Berücksichtigung anlagentechnischer Maßnahmen möglich
- Implementierung des Sicherheitskonzeptes in NA Anhang BB brandschutztechnische Nachweise mit Naturbrandbeanspruchung
künftig zulässig
Sicherheitskonzept
Naturbrandverfahren
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• Ziel: Bemessungswerte für Brandlastdichte q und Wärmefreisetzung HHR
- 90 % Fraktilwerte und Teilsicherheitfaktor γfi
• Festlegung der Zielversagenswahrscheinlichkeit pf- In Abhängigkeit von Nutzung und Folgen des Brandes entsprechend des Eurocode 1
• Ermittlung einer bedingten Versagenswahrscheinlichkeit pf,fi im Brandfall
- In Abhängigkeit der Eintretenswahrscheinlichkeit p1 eines Brandes in der Nutzungseinheit (aus Tabellen)
und der Ausfallwahrscheinlichkeit von abwehrenden und anlagentechnischen Maßnahmen p2 und p3
• Bestimmung der erf. Zuverlässigkeit im Brandfall
Naturbrandverfahren – Sicherheitskonzept
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Naturbrandverfahren – Sicherheitskonzept
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• Kleine Faktoren p2 und p3
reduzieren βfi, damit γfi
und die Bauteilanforderungen
• Nationaler Anhang – Anhang BB
• Faktoren p2 und p3 für voneinander
unabhängige Maßnahmen
• Voneinander abhängige Maßnahmen (BMA, RWA) verlangen weiter-gehende Absicherung und zusätzliche Untersuchungen
Naturbrandverfahren – Sicherheitskonzept
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Ingenieure für Brandschutz GmbH
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Dr.-Ing. Jochen Zehfuß
Inhalt
• Einführung
- Problemstellung und klassischer Nachweis nach DIN 4102-4
• Eurocodes
- Brandschutzteile der Eurocodes
- Nachweisverfahren
• Naturbrandverfahren
- DIN EN 1991-1-2 und Nationaler Anhang
- Naturbrandmodelle
- Verfahren nach NA Anhang AA und Anhang C
- Sicherheitskonzept nach NA Anhang BB
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof
Eurobahnhof Saarbrücken
Anwendung Vereinfachtes Naturbrandmodell nach NA Anhang AA
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9
3 4 5 6 7 8
A
B
C
Raumgeometrie Decke Büro Pos. 7.03
Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60 70
Zeit [min]
En
erg
iefr
eise
tzu
ng
srat
e [M
W]
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
]
Energiefreisetzungsrate / Temperaturzeitverlauf
Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof
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0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
]
0 cm2,8 cm25,0 cm30,0 cmHeißgastemp
2
25 8
0 cm 2,8 cm
25 cm
30 cm
Temperaturverteilung
Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof
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-0.2
-0.18
-0.16
-0.14
-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
x [m]
vert
ika
le V
erf
orm
un
g [m
]
0
40
20
30
50
10
60
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60
Zeit [min]
Mom
ent [
kNm
] Msd,fi,Feld
MRd,fi,Fel
d
MRd,fi,Stütze
Msd,fi,Stütze
Durchbiegung und Momentenverlauf
Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof
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© gmp Architekten, JSK International, Visualisierung: Archimation / Berliner Flughäfen
Ausführungsbeispiel - BBI
Flughafen Berlin-Brandenburg International BBI
Anwendung Vereinfachtes Naturbrandmodellnach DIN EN 1991-1-2 Anhang C
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©gmp Architekten, JSK International, Visualisierung: Archimation / Berliner Flughäfen
Stützen Terminalhalle
Ausführungsbeispiel - BBI
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Q [MW]
0
1
2
3
4
5
6
7
0 500 1000 1500 2000
Zeit [s]
RH
R [
MW
]
Q [MW]
• Brandszenario
• Ticketschalter
• Gepäckansammlung
• Abdeckender Bemessungsbrand
mit max. 6 MW
• Brandfläche 24 m², RHRf,A = 250 kW/m²
• Feuerwehreingriff nach 20 Minuten
Bemessungs-Brandszenario & Bemessungsbrand
Ausführungsbeispiel - BBI
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Zwei maßgebliche Bauteilquerschnitte
H = 0,83 m (oberhalb Lasteinleitungssteifen)
= 0,32 => Tcrit = 654°C
H = 0,60 m (Bereich Lasteinleitungssteifen)
= 0,25 => Tcrit = 691°C
Brandschutzbemessung
Ausführungsbeispiel - BBI
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Temperaturzeitverlauf nach Heskestad (EC 1-1-2 Anhang C)
Ausführungsbeispiel - BBI
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Tvorh = 688°C < 691°C = Tcrit
Thermische Analyse Stütze H = 0,60 m
Ausführungsbeispiel - BBI
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Tvorh = 639°C < 654°C = Tcrit
Thermische Analyse Stütze H = 0,83 m
Ausführungsbeispiel - BBI
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Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
Garage Alstertal-Einkaufszentrum in Hamburg
Anwendung Allgemeines Naturbrandmodellund Allgemeines Rechenverfahren
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• Tragwerk Garage AEZ wird als offene Garage auf Verkaufsstätte errichtet
• Bauaufsicht forderte F 60
• Bauaufsicht stimmt Abweichung zu, wenn ingenieurmäßiger Nachweis geführt wird
• Konzept
- Stützen, Aussteifungen und Zugbänder werden in F 60 ausgeführt
- Träger werden in F 30 (DSB) ausgeführt. Nachweis durch ingenieurmäßige Methoden
(Berechnung des tatsächlichen Trag- und Verformungsverhaltens der Konstruktion unter
Brandbeanspruchung)
• Beantragung Zustimmung der obersten Bauzaufsichtsbehörde für Anwendung allgem.
Berechnungsverfahren
• Prüfung CFD-Simulation durch ABH
• Prüfung (thermische) und mechanische Analyse durch Prüfingenieur
Problemstellung
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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• Betrachtung des Brandrisikos für Rettungswege und Standsicherheit
• Brandszenario und Bemessungsbrand (mit Bauaufsicht und Feuerwehr abgestimmt)
• Temperaturentwicklung bei Brand von PKW‘s
- CFD-Simulation FDS
• Erwärmung des Tragwerks (thermische Analyse)
- Eurocode 1 Teil 1-2
- FE-Modell ANSYS
• Trag- und Verformungsverhalten des Tragwerks (mechanische Analyse)
- Eurocode 3 Teil 1-2 bzw. Eurocode 4 Teil 1-2
- FE-Modell ANSYS
Vorgehensweise beim Nachweis
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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Literatur-stelle
Art Anzahl brennen-der Kfz
Abstand Fahrzeuge [cm]
Zeitpunkt Feuerüber-schlag [min]
Max. Tempe-ratur [°C]
Energie-freisetzung [MW]
Gesamte Energie [GJ]
Typ Garage
vfdb4/97 Real-brand/ Sim.
3 50 – 80 10 650 (HG)950 (Pl)
ca. 7,0 MW für 3 Kfz
- geschl.
vfdb4/2000
Versuch 2 40 - 80 12 - 57 700-780 (HG)950-1000 (Pl)
3,7 – 4,6 MW pro Kfz
3,1-8,0 geschl.
[5] Simul-ation
3 - 10 900 ca. 14,5 MW für 4 Kfz
6,0-9,5 geschl.
[4] Versuch 3 - - 650-850 3,0-6,0 MW - offen
[1] Versuch 1 - 15 650-800 ca. 2 MW 3,0-3,9 offen
Erfahrungen (Brandversuche) PKW-Brände in Garagen
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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• Energiefreisetzung abhängig von Art des
PKW
• Versuche: 2,0 MW < RHR < 6,0 MW
• Österr. Bemessungskurve (Prof.
Schneider): 3,8 MW
• Abstimmung:
Abbrand mehrerer PKW
• Max. Energiefreisetzungsrate
pro PKW 4,5 MW
Energiefreisetzungsrate von 1 PKW
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Zeit [min]
RH
R [M
W]
RHR [MW]
Energiefreisetzungsrate Abbrand eines PKW
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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Brandszenario
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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• Konservatives Szenario Vorgabe der Feuerwehr
- Anzahl brennender PKW 27 Stück; Literatur max. 6 in geschlossener Garage
- Energiefreisetzung 4,5 MW über 40 min; Literatur 2-6 MW über 25-40 min
- Feuerüberschlagszeitpunkt 5 min; Literatur 12 bis > 30 min
- Höhe Garage 3,50 m; üblich bei Tiefgaragen 2,20 m – 3,0 m
- Abstand PKW‘s 70 – 90 cm; Literatur Feuerüberschlag bei < 80 cm
Angesetzter Bemessungsbrand
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 10 20 30 40 50 60
Zeit [min]
Tem
per
atu
r [°
C]
PKW1_5PKW2_5PKW3_5PKW4_5PKW5_5PKW6_5PKW7_5PKW8_5PKW9_5
Temperaturentwicklung in der Garage
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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HT_s29r
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Zeit [min]
Tem
per
atu
r [°
C]
Naturbrand
Gurt Oben DSB
Steg Mitte DSB
Gurt Unten DSB
Gurt Oben ungesch.
Steg Mitte ungesch.
Gurt Unten ungesch.
NT_29rsu
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Zeit [min]
Tem
per
atu
r [°
C]
Naturbrand
Gurt Oben DSB
Steg Mitte DSB
Gurt Unten DSB
Gurt Oben ungesch.
Steg Mitte ungesch.
Gurt Unten ungesch.
HEA 700
IPE 600
Erwärmung Träger ungeschützt und mit F 30-DSB
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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• Modellierung des Tragwerksausschnitts Achse 27.1 – 32.1
• Festhaltungen in den Achsen 27.1 und 32.1 simulieren „Kaltes“ umgebendes
Tragwerk
• Modellierung des Stockwerks P1
• Stützen F 60 geschützt – keine Erwärmung berücksichtigt
• Annahme starrer Verbund zwischen Träger und Deckenplatte
• Ansatz der max. Trägertemperatur für gesamten Träger
Idealisierung des Tragwerks
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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FE-Modell
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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3030
3030
30
0‘
15‘
30‘
45‘
60‘
3030
3030
303030
30303030
30303030
0‘
15‘
30‘
45‘
60‘Nach 15 min
Verformung der Deckenplatte (Schnitt in Achse t)
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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Spannungen Untergurt Hauptträger
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
0 10 20 30 40 50 60
Zeit [min]
Spa
nnun
g [N
/mm
²]
StützeFeld
Spannungen im UG Hauptträger Achse s/29-30
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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Normalkraft h29rs_Stahl_dsb
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
0 10 20 30 40 50 60
Zeit [min]
Nor
mal
kraf
t [k
N]
Normalkraft Stützbereich Stahlquerschnitt
Normalkraft Stahlquerschnitt Hauptträger Achse s/29-30
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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• Globaler Nachweis erbracht
• Problem sehr hohe Zwangkräfte
• Anschlüsse nicht für Brandfall konstruiert (keine Langlöcher)
• Problem Gefahr Abscheren der Schrauben durch axiale Zwangkräfte im
Brandfall
• Nachweis der Anschlüsse
Nachweis der Anschlüsse
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Kraftverlauf im Anschlussbereich
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Druckstücke zur Übertragung der Zwangkräfte im Anschluss
Ausführungsbeispiel – AEZ-Garage
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Inhalt
• Einführung
- Problemstellung und klassischer Nachweis nach DIN 4102-4
• Eurocodes
- Brandschutzteile der Eurocodes
- Nachweisverfahren
• Naturbrandverfahren
- DIN EN 1991-1-2 und Nationaler Anhang
- Naturbrandmodelle
- Verfahren nach NA Anhang AA und Anhang C
- Sicherheitskonzept nach NA Anhang BB
• Ausführungsbeispiele
• Zusammenfassung und Fazit
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Zusammenfassung und Fazit
• Leistungsorientierte Brandschutzbemessung zurzeit noch Ausnahmefall
• Eurocodes ermöglichen leistungsorientierte Brandschutzbemessung mit
Naturbrandverfahren
• Oft schwierig maßgeblichen Temperaturzeitverlauf zu bestimmen
• Objektspezifisches Brandschutzkonzept erforderlich
• Vereinfachtes Berechnungsverfahren mit kritischer Stahltemperatur mit
vertretbarem Aufwand anwendbar
• Allgemeines Berechnungsverfahren wg. hohem Rechenaufwand nur in
Ausnahmefällen
• Heißbemessungen werden immer häufiger verlangt
Schlussfolgerungen für die Brandschutzbemessung
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• Festlegung des maßgeblichen Brandszenarios bzw. Bemessungsbrandes (Naturbrandverfahren)
• Simulation von Brandeinwirkung (Naturbrand)• Brandschutzbemessung durch Vereinf. bzw.
Allgem. Berechnungsverfahren der Eurocodes
Zusammenfassung und Fazit
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
] ..
T= (T1-T0)/tYּ 1²t ²+ T0
für t1 > =t
T = (T2-T1)((t-t1)/(t2-t1))1/2+T1
für t1 < t <= t2
T = (T3-T2)((t-t2)/(t3-t2))1/2+T2
für t > t2
Bereich 1 Bereich 2 Bereich 3
(t1;T1)(t3;T3)
(t2;T2)
(t0;T0)
Vorgehensweise bei Naturbrandverfahren
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• Erwärmungsberechnung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren- Allgemeines Berechnungsverfahren
• Heißbemessung: - Vereinfachtes Berechnungsverfahren (Temperaturebene, Tragfähigkeitsebene)- Allgemeines Berechnungsverfahren
• VereinfachtesBerechnungsverfahren: - Einzelbauteile
- Ungezwängte Bauteile
• Allgemeines Berechnungsverfahren: - Gezwängte Bauteile
- Gesamttragsysteme
Brandschutzbemessung
Zusammenfassung und Fazit
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Zusammenfassung und Fazit
• Leistungsorient. Bemessung ist aufwändige Vorgehensweise- Berechnung Erwärmung- Simulation Tragverhalten- Abstimmung mit Genehmigungsbehörden=> Anwendung zurzeit nur in Einzelfällen
• Wann rentiert sich leistungsorientierte Bemessung (Heißbemessung)?- Stahlkonstruktionen- Bestehende Stahlbetonkonstruktionen- Bemessung nach DIN 4102 nicht möglich oder Feuerwiderstandsdauer zu
gering
• Optimierte Tragkonstruktion- Geringe Dimensionierung der Querschnitte- Verringerung von Bekleidungsmaßnahmen- Wirtschaftliche Konstruktion
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Kontaktinformationenhhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
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Geschäftsführer:Dipl.-Ing. Margot EhrlicherDipl.-Inf. BW (VWA) Stefan TruthänDipl.-Ing. Karsten Foth
Prokurist:Dipl.-Ing. Harald Niemöller
Beirat:Prof. Dr.-Ing. Dietmar HosserDr.-Ing. Karl-Heinz Schubert
AmtsgerichtBerlin CharlottenburgHRB 78 927
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