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8.5 Brandverhalten ausgewählter Bauteile/Tragsysteme

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8.5.1 Stahlkonstruktionen

Eine Erwärmung des Stahls bewirkt einerseits ein Absinken der Fliessgrenze, andererseits eine Reduktion des Elastizitätsmoduls. Die damit verbundene Verminderung der Tragfähigkeit und die entstehenden Deformationen beeinflussen das Tragverhalten von Stahlkonstruktionen entscheidend. Da die Wärmeleitfähigkeit des Stahls, verglichen mit andern Baustoffen, sehr hoch ist, kann in erster Näherung angenommen werden, dass sich rasch eine gleichmässige Temperaturverteilung über den ganzen Stahlquerschnitt einstellt.

Die an der Bauteiloberfläche in den Stahlbauteil pro m Länge einfliessende Wärmemenge ergibt sich zu:

(8.7)

und die vom Stahlbauteil pro m Länge gespeicherte Wärmemenge berechnet sich nach:

(8.8)

Für die Temperaturerhöhung ΔθSt während des Zeitintervalls Δt bzw. für erhält man in erster Näherung:

Zeitlicher Temperaturverlauf
Abbildung 8.10: Zeitlicher Temperaturverlauf

(8.9)

Der Feuerwiderstand von Stahlkonstruktionen lässt sich verbessern durch Wahl eines grösseren Querschnittes, der auch bei reduzierter Festigkeit die vorhandene Last noch aufnehmen kann (→ Überdimensionierung!). Schutz vor rascher Erwärmung und somit eine Erhöhung der Feuerwiderstandsdauer wird weiter erreicht durch:

  • Querschnittsform mit wenig Oberfläche pro Laufmetergewicht (feingliedrige, aufgelöste Konstruktionsteile erwärmen sich schneller als kompakte, gedrungene Elemente)
  • Wärmeisolation der Bauteile (z. B. Verkleidung mit Faserzement- bzw. Gipsplatten, Anbringen von Isolationsschichten, Eingiessen in Beton)
  • Aufschäumende Brandschutzanstriche (Materialien, die unter Hitzeeinfluss zu einer wärmeisolierenden Schicht aufschäumen)
  • Kühlung der Bauteile mit Wasser (die Verdampfungswärme von Wasser an der Stahloberfläche, z. B. aus Sprinkleranlagen, entzieht dem Stahl Wärme).
Durchschnittliche Stahltemperaturen von unverkleideten bzw. verkleideten Stahlelementen bei Brandbelastung gemäss ISO-Normbrandkurve
Abbildung 8.11: Durchschnittliche Stahltemperaturen von unverkleideten bzw. verkleideten Stahlelementen bei Brandbelastung gemäss ISO-Normbrandkurve (ISO 834) in Abhängigkeit vom Profilfaktor U/G = 1/ρ · U/A in m2 · kg, d/λ (Verkleidung) 0,1 m2 · K/W, (hc ~ 2,5 W/m2 K); F12 (Stahl-Umgebung) ~ 0.5)

8.5.2 Betonkonstruktionen

Zementmörtel und die meisten Zuschlagstoffe weisen an und für sich eine gute Wärmebeständigkeit auf. Die Armierungseisen sind bei genügender Betonüberdeckung vor rascher Erwärmung geschützt. Trotzdem erleidet Beton bei starker und vor allem bei rascher Erwärmung Schäden. Die Ursachen sind:

  • Lockerung des Gefüges durch unterschiedliche Wärmedehnungen (die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Zementmörtel und Zuschlagstoffen einerseits sowie der einzelnen Zuschlagstoffe andererseits führen zu inneren Spannungen, die das Gefüge lockern)
  • Absprengen und Abplatzen wegen grosser Temperaturunterschiede (die relativ schlechte Leitfähigkeit des Betons führt zu einem starken Temperaturgefälle im Innern schnell erwärmter Betonkonstruktionen. Die dadurch entstehenden Spannungen zwischen erwärmten äusseren Schichten und kühlen inneren Schichten verursachen das Absprengen ganzer Schichten).
Temperaturverlauf in einer 20 cm starken Betonwand unter Brandeinwirkung gemäss Normbrandkurve ISO 834
Abbildung 8.12: Temperaturverlauf in einer 20 cm starken Betonwand unter Brandeinwirkung gemäss Normbrandkurve ISO 834

  • Absprengen durch Dampfdruck (das im Beton vorhandene Wasser verdampft bei entsprechender Temperatur, und der dadurch entstehende Überdruck im Innern des Bauteils kann ebenfalls zum Absprengen ganzer Schichten führen).

Brandschutz zugbeanspruchter Stahlbetonteile

An Stellen, wo die Zugkraft der Stahleinlage für die Tragfähigkeit der Konstruktion massgebend ist, also speziell in Zugzonen von Biegeträgern, ist das Versagen der Armierung für die Erschöpfung der Tragfähigkeit massgebend. Solange der Beton intakt bleibt, verläuft die Temperaturerhöhung in den Stahleinlagen verhältnismässig langsam. Im Augenblick, wo die Überdeckung wegen Abplatzung verloren geht, werden die freigelegten Armierungseisen sehr rasch erhitzt. Für geringe Brandbelastungen genügt also eine normale Betonüberdeckung als Schutz. Bei höheren Brandbelastungen kann der Feuerwiderstand durch vergrösserte Überdeckung verbessert werden. Besondere Massnahmen sind aber notwendig, um das Loslösen der Überdeckung zu verhindern (Einlegen von Netzarmierungen). Siehe auch Abb. 8.13.

Brandschutz druckbeanspruchter Stahlbetonteile

Wird die Druckzone eines Biegeträgers einer Brandeinwirkung ausgesetzt, so wird der Querschnitt durch Abplatzungen verkleinert und der Beton durch Gefügelockerung geschwächt, d. h., ein Teil der Betondruckzone geht verloren. Dadurch werden der Hebelarm der inneren Kräfte und das Bruchmoment verringert.

Für hohe Brandwiderstände hilft auch hier eine sichere Netzarmierung, die das Abblättern verlangsamt (siehe auch Abb. 8.14).

Eisenüberdeckung in der Zugzone und Feuereinwirkung; Mindestüberdeckungsstärken u von statisch bestimmt gelagerten Balken in Abhängigkeit von der Balkenbreite b im Vergleich zu statisch bestimmt gelagerten Platten
Abbildung 8.13: Eisenüberdeckung in der Zugzone und Feuereinwirkung; Mindestüberdeckungsstärken u von statisch bestimmt gelagerten Balken in Abhängigkeit von der Balkenbreite b im Vergleich zu statisch bestimmt gelagerten Platten (b → ∞) für Feuerwiderstandsklassen F 30 bis F 180 [8.6]

Schwächung der Druckzone eines Biegeträgers durch Betonabplatzung
Abbildung 8.14: Schwächung der Druckzone eines Biegeträgers durch Betonabplatzung

8.5.3 Holzkonstruktionen

Obwohl Holz brennbar ist, kann es unter Umständen einen gewissen Brandwiderstand aufweisen. Einerseits ist Holz ein schlechter Wärmeleiter, sodass sich die Wärme im Bauteil nur langsam ausbreiten kann. Andererseits verlangsamt die bei der Vergasung des Holzes entstehende Holzkohleschicht an der Oberfläche das weitere Abbrennen.

Verminderung des für den Feuerwiderstand wirksamen Querschnittes durch Abbrand am Beispiel eines massiven Holzbalkens. Bei Biegeträgern wird u. U. auf der Zugseite die Schutzschicht abgesprengt, was zu Abbrandgeschwindigkeiten von bis zu 1,1 mm/min führt.
Abbildung 8.15: Verminderung des für den Feuerwiderstand wirksamen Querschnittes durch Abbrand am Beispiel eines massiven Holzbalkens. Bei Biegeträgern wird u. U. auf der Zugseite die Schutzschicht abgesprengt, was zu Abbrandgeschwindigkeiten von bis zu 1,1 mm/min führt.

Die Annahme einer konstanten Abbrandgeschwindigkeit erlaubt eine einfache Abschätzung des Feuerwiderstandes. Als Abbrandgeschwindigkeit kann angenommen werden: Nadelholz ≈ 0,6 mm · min–1 bis 0,8 mm · min–1, Eiche ≈ 0,4 mm · min–1. Schnittholz brennt unter anderem wegen der nicht zu vermeidenden Schwindrisse schneller ab als verleimte Hölzer. Der Feuerwiderstand ergibt sich aus der Verminderung des Querschnittes (siehe Abb. 8.15).

Dünne Stäbe weisen somit keinen nennenswerten Feuerwiderstand auf, mit kräftigeren Balken hingegen lässt sich eine Feuerwiderstandsdauer von 30 bis 45 min erreichen. Bei Holzstützen tritt durch den Abbrand ebenfalls eine Schwächung des Querschnittes auf. Daraus ergibt sich eine Erhöhung der Schlankheit, die ein Absinken der zulässigen Knickspannung nach sich zieht.

Der Feuerwiderstand von Holz lässt sich durch mineralisierende Imprägnierung verbessern.


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2018-09-24T16:25:09+00:00
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