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Inhalt

Brandschutznachweise von Bauteilen - Heißbemessung

· ·

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

· ·

Dr.-Ing. Jochen Zehfuß

Ausführungsbeispiele Zusammenfassung und Fazit

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Dr.-Ing. Jochen Zehfuß Niederlassungsleiter Hamburg hhpberlin IngenieureIngenieure für Brandschutz GmbH für Brandschutz GmbH [email protected]

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hhpberlin ­ Das Unternehmen

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

Die Geschäftsführung von hhpberlin ­ Margot Ehrlicher, Karsten Foth und Stefan Truthän

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Kompetenzen

Brandschutzkonzepte Ingenieurmethoden Baubegleitung Brandschutzdokumente

hhpberlin steht für kompetenten Brandschutz aus einer Hand und bietet keinen Brandschutz von der Stange.

Der Berliner Hauptbahnhof

· Unkonventionelle Brandschutzlösungen, statt Standardgutachten · Intensive Kundenbetreuung und individuelle Problemanalyse · Langjährige Erfahrung im Brandschutz · Vertrauensverhältnis zu genehmigenden Behörden - Akzeptanz

maßgeschneiderte Brandschutznachweise und unkomplizierte Baugenehmigungen

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Referenzen

· Jährlich mehr als 1000 Projekte · Projekte in ganz Deutschland sowie 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

Allianz Arena, München Hauptbahnhof, Berlin Bundeskanzleramt, Berlin

Referenzen Heißbemessung

· 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)

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Einführung

Brandschutzbemessung in der Praxis

· 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

Einführung

Bauaufsichtlich verankerte Schutzziele

Präskriptive Bemessung

Schutzzielorientierte Vorgehensweise Leistungorientierte Vorgehensweise

Materielle Anforderungen nach Bauordnungen und Richtlinien

- ganzheitliches Brandschutzkonzept - Anwendung von Ingenieurmethoden

=> Optimierung des Brandschutzes

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Einführung

Materielle Anforderungen in den BauO

· F 30 bei Gebäuden geringer Höhe · F 60 bei Gebäuden mittlerer Höhe · F 90 bei hohen Gebäuden und Sonderbauten

Temperatur [°C]

Einführung

Präskriptive Brandschutzbemessung

· Stringente Vorgaben für Feuerwiderstand der Bauteile in den BauO

- Höhere Anforderungen mit wachsender Gebäudehöhe

natürliche Brände Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)

1200

1000

- Standsicherheit ist wesentliche Voraussetzung für Erfüllung der anderen Schutzziele - Wenn andere Schutzziele nicht erfüllt

· Bei ,,Normbemessung" i. d. R. kostenintensive Bekleidung erforderlich

800

600

=> Standsicherheit nicht unbedingt gefährdet

400

- Weitergehende Schutzinteressen

200

(kein Totalabriss => Sanierung nach Brand muss möglich sein)

0 15 30 45 Zeit [min] 60 75 90

0

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Planungsverfahren

Einführung

Nachweis Erfüllung der Schutzziele

· Präskriptiver Nachweis:

- Bei Einhaltung der materiellen Anforderungen in den BauO werden Schutzziele erreicht

Einführung

festgelegte Vorgaben (thermische Einwirkungen durch nominelle Brandkurven) Analyse eines Bauteils Bestimmung der mechanischen Einwirkungen und Randbedingungen vereinfachte Bemessungsverfahren allgemeine Bemessungsverfahren Analyse eines Teils des Bauwerks Bestimmung der mechanischen Einwirkungen und Randbedingungen vereinfachte Bemessungsverfahren (falls verfügbar) allgemeine Bemessungsverfahren Analyse des gesamten Bauwerks Wahl der mechanischen Einwirkungen

Tabellierte Werte

allgemeine Bemessungsverfahren

· Leistungsorientierter Nachweis:

- Schutzziele müssen konkretisiert werden - Nachweis muss quantitativ geführt werden - Nachweis mit Ingenieurmethoden (z. B. Eurocodes) - Ganzheitliches Brandschutzkonzept erforderlich

leistungsabhängige Festlegungen (physikalisch bedingte thermische Einwirkungen)

Leistungsorientierte Brandschutzbemessung nach Eurocode

Wahl vereinfachter oder genauer Modelle zur Brandentwicklung

Analyse eines Bauteils Bestimmung der mechanischen Einwirkungen und Randbedingungen

Analyse eines Teils des Bauwerks Bestimmung der mechanischen Einwirkungen und Randbedingungen

Analyse des gesamten Bauwerks

Wahl der mechanischen Einwirkungen

Leistungsorientierter Nachweis und Ingenieurmethoden bilden eine Symbiose.

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vereinfachte Bemessungsverfahren (falls verfügbar)

allgemeine Bemessungsverfahren

allgemeine Bemessungsverfahren

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allgemeine Bemessungsverfahren

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Einführung

Bisherige Brandschutzbemessung

· · · · · · 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

Einführung

DIN 4102 historisch

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Einführung

DIN 4102-4 03/1994

Einführung

Brandversuchsstand

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Einführung

Brandversuchsstand für Deckenprüfungen

Inhalt

· · Einführung - Problemstellung und klassischer Nachweis nach DIN 4102-4 Eurocodes - Brandschutzteile der Eurocodes - Nachweisverfahren Specimen · 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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Eurocodes

Eurocode-Brandschutzteile

DIN EN 1991-1-2 DIN EN 1992-1-2 DIN EN 1993-1-2 DIN EN 1994-1-2 DIN EN 1995-1-2 DIN EN 1996-1-2 Eurocode 1 - Grundlagen und Einwirkungen Eurocode 2 - Stahlbeton- und Spannbetontragwerke Eurocode 3 - Stahlbauten Eurocode 4 - Verbundtragwerke aus Stahl und Beton Eurocode 5 - Holzbauten Eurocode 6 - Mauerwerksbauten

Eurocodes

Nachweiskonzept der EC-x-1-2

Nachweisverfahren in 3 Stufen: · 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

DIN EN 1992-1-2 bis 1995-1-2 im Vergleich zu Vornormen prinzipiell unverändert

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- Teiltragwerke, Gesamttragwerk - ,,exakte" rechnerische Brandsimulation für beliebige Temperaturbeanspruchung

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Eurocodes

Bemessungsverfahren

Eurocodes

Stufe 1 ­ Tabellarische Daten

h a > amin ? b > bmin ?

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Überprüfung der Querschnittsabmessungen und Achsabstände ähnlich wie in DIN 4102-4

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Eurocodes

Stufe 2 ­ Vereinfachtes Rechenverfahren

· 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

Eurocodes

Temperaturabhängige Querschnittsverkleinerung

az 1 kc (Q ) für Beton

h az

az b/2

b´ w

az

w w

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b/2

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Eurocodes

Tragfähigkeitsberechnung

Eurocodes

Stufe 3 ­ Allgemeines Rechenverfahren

Thermische Analyse

Fc,fi (t) = y·b'·kc(Qc)·fck

h'

y

· ·

h

z

Ermittlung des Wärmestroms auf die Bauteile infolge der Temperaturbeanspruchung Berechnung der Temperaturverteilung im Querschnitt

Mechanische Analyse

az Fs,fi (t) = As·ks(Qs)·fyk

· ·

a

z

b' b

a

z

·

Nachweisgleichung: Rd,fi(t) = Fs,fi(t) · z Msd,fi = Ed,fi

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· · ·

Gleichgewichtszustand im Querschnitt thermische Dehnung Eigenspannungen Gleichgewichtszustand für das Tragsystem Zwangspannungen geometrische Imperfektionen (Theorie II. Ordnung)

s

T1 T2 T3

e

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Eurocodes

Temperaturabhängige Materialeigenschaften Beton

thermisch

1 20°C 0.8 100 200 300 400 0.6 500 0.4

Eurocodes

Thermische Analyse

Wärmeleitung mechanisch

cp

T T T T (x ) (y ) (z ) q''' t x x y y z z

sc (Q ) / f c(20°C)

600

0.2 700 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Dehnung [%]

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Eurocodes

Mechanische Analyse

Temperatur

Eurocodes

Mechanische Analyse

es

0

1.2

e

0

e th

0.004 0.008

200

400

600

-0.004

Temperatur [°C]

Dehnung [-]

bez. Spannung s(T) / fyk

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

20°C 400°C 600°C 800°C

0.004 0.008 0.012 Dehnung [-] 0.016 0.02

es e e th

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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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Naturbrandverfahren

DIN EN 1991-1-2

Neuheit für Eurocode 1 Teil 1-2: Im NA werden die Naturbrandverfahren grundsätzlich erlaubt !

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Naturbrandverfahren

DIN EN 1991-1-2

· Hauptteil

- Allgemeines - Verfahren zur Tragwerksbemessung im Brandfall - Thermische Einwirkungen für die Temperaturberechnung - Mechanische Einwirkungen für die Tragfähigkeitsberechnung

Naturbrandverfahren

Thermische Einwirkungen

· Anhänge

- Parametrische Temperaturzeitkurven - Thermische Einwirkungen auf außenliegende Bauteile - Lokale Brände - Erweiterte Brandmodelle - Brandlastdichten - Äquivalente Branddauer - Konfigurationsfaktor

· Nominelle Temperaturzeitkurven

Temperatur [°C]

1200 Hydrokarbonkurve Einheitstemperaturzeitkurve

- Einheitstemperaturzeitkurve - Außenbrandkurve - Hydrocarbonkurve

1000

800

600

Externe Brandkurve

· Vereinfachte Naturbrandmodelle · Allgemeine Naturbrandmodelle

400

200

0 0 30 60 90 120 150 180

Zeit [min]

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Naturbrandverfahren

Vereinfachte Naturbrandmodelle

· 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

Temperatur [°C] ..

Naturbrandverfahren

Parametrische Kurven nach DIN EN 1991-1-2 Anhang A

· Nachteile

- Brandentstehungsphase wird nicht berücksichtigt - liefern gleichförmige Temperaturverteilung - sehr viele Fallunterscheidungen erforderlich

(t2;T2) T = (T3-T2)((t-t2)/(t3-t2))1/2+T2 für t > t2 (t1;T1) T= (T1-T0)/t ² t² +T0 1 für t1 <= t (t3;T3)

T = (T2-T1)((t-t1)/(t2-t1))1/2+T1 für t1 < t <= t2

=> nicht anwenderfreundlich - für ventilationsgesteuerte Brände abgeleitet worden (brandlastgesteuerte Brände werden stark vereinfacht berücksichtigt) - nicht kongruent zum Bemessungsbrand (Energiefreisetzungsrate)

(t0;T0)

Zeit [min]

=>

Bereich 2 Bereich 3

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Anwendung im NA für Deutschland verboten

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Bereich 1

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Naturbrandverfahren

Widerspruch zwischen DIN EN 1991-1-2 Anhang A und Anhang E

Beispiel Versuch ,,BRE No. 2" (NFSC2)

1200 1000 40

O = 0,10 m 0,5; b = 800 J/(m²s0,5K); q = 40 kg/m²; Af = 144 m²

Naturbrandverfahren

Allgemeine Naturbrandmodelle

· Ein-Zonenmodelle · Mehr-Zonenmodelle · Feldmodelle (CFD-Modelle)

Temperatur [°C]

Temperatur Versuch

800

30

Temperatur EN 1991

600 400 10 200 0 0 10 20 0 30 Zeit [min] 40 50

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Energiefreisetzung EN 1991

20

60

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Naturbrandverfahren

Naturbrandmodelle

Vereinfachte Modelle

gering Plume-Modelle, z.B. HESKESTAD, THOMAS/HINKLEY Aufwand

Energiefreisetzungsrate [MW]

Naturbrandverfahren

Anwendungsbereich von Naturbrandmodellen

Allgemeine Modelle

hoch CFD-Modelle, z.B. FDS, CFX, COBRA, FLUENT

· Voll entwickelte Brände (Raumbrände, Brände in Nutzungseinheiten)

· Lokale Brände (z. B. Plume-Modelle) für Atrien, große Hallen, Freibrände

· Externe Brände (Außenbrände, Fassade)

Zonen-Modelle, z.B. CFAST, MRFC, FIGARO

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Naturbrandverfahren

DIN EN 1991-1-2 Anhänge

· 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

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Naturbrandverfahren

Nationaler Anhang zu DIN EN 1991-1-2

· · · 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)

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Naturbrandverfahren

Brandlast

Material Masse Ort im Brandraum Stapeldichte

Naturbrandverfahren

Brandraum

Geometrie thermische Eigenschaften der umgebenden Bauteile

Ventilation

Öffnungsfläche und höhe Zwangsluftzufuhr Entlüftung

Wärmefreisetzungsrate

Qmax MIN Qmax,v ; Qmax,f

70% der Brandlast verbrannt

1200 1000

Temperatur [°C]

100 MJ/m² 500 MJ/m² 900 MJ/m²

800 600 400 200 0 0 15 30 45 60 75 90

t Q(t) Q0 t g

2

1300 MJ/m² ETK

Entwicklungsphase

105 120 135 150 165 180 Zeit [min]

Vollbrandphase

Abklingphase

t1

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t2

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t3

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Naturbrandverfahren

Vereinfachtes Modell für Vollbrände

Korrelation des zeitlichen Verlaufs

T2

Naturbrandverfahren

Parametr. Temperaturzeitkurven nach NA Anhang AA

T1 T3

Wärmefreisetzungsrate

t1

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Zeit [min]

t2

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t3

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Naturbrandverfahren

Lokale Brände Verfahren nach DIN EN 1991-1-2 Anhang C

· · Verfahren nach Heskestad/Hasemi Randbedingungen

- lokaler Brand - Räume > 400 m² - Wärmefreisetzungsrate < 50 MW - D <= 10 m - Brandlastdichte >= 250 kW/m²

Energiefreisetzungsrate [MW]

Temperatur [°C]

Heißgastemperaturzeitkurve

Naturbrandverfahren

Flammen erreichen nicht die Decke

Plumeformeln nach Heskestad

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Naturbrandverfahren

Flammen erreichen die Decke

Hasemi-Korrelationen

Naturbrandverfahren

Sicherheitskonzept

- 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

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Naturbrandverfahren ­ Sicherheitskonzept

· Ziel: Bemessungswerte für Brandlastdichte q und Wärmefreisetzung HHR

- 90 % Fraktilwerte und Teilsicherheitfaktor fi

Naturbrandverfahren ­ Sicherheitskonzept

· 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

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Naturbrandverfahren ­ Sicherheitskonzept

· Kleine Faktoren p2 und p3 reduzieren fi, damit fi und die Bauteilanforderungen · Nationaler Anhang ­ Anhang BB · Faktoren p2 und p3 für voneinander unabhängige Maßnahmen · Voneinander abhängige Maßnahmen (BMA, RWA) verlangen weitergehende Absicherung und zusätzliche Untersuchungen

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

Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof

Eurobahnhof Saarbrücken

Anwendung Vereinfachtes Naturbrandmodell nach NA Anhang AA

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Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof

Raumgeometrie Decke Büro Pos. 7.03

Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof

Energiefreisetzungsrate / Temperaturzeitverlauf

20 18

Energiefreisetzungsrate [MW]

C

16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Zeit [min]

800 1000

B

Temperatur [°C]

600

400

A 9 3 4 5 6 7 8

200

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Zeit [min]

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Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof

Temperaturverteilung

900 800

Ausführungsbeispiel - Eurobahnhof

Durchbiegung und Momentenverlauf

0 -0.02 0 10 20

vertikale Verformung [m]

30 cm

-0.04 -0.06 -0.08 -0.1 -0.12 -0.14 -0.16

2

700 600

Temperatur [°C]

25 cm

8 2 5

0 cm 2,8 cm

60 30 50

500 400 300 200 100 0 0

x [m]

Moment [kNm]

0 cm 2,8 cm 25,0 cm 30,0 cm Heißgastemp

100 80

40

MRd,fi,Fel

d

-0.18 -0.2

60 40 20 0 -20 0 -40 -60 Msd,fi,Stütze MRd,fi,Stütze 10 20 Msd,fi,Feld

30

40

50

60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-80 -100

Zeit [min]

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Zeit [min]

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10

Ausführungsbeispiel - BBI

Flughafen Berlin-Brandenburg International BBI

Anwendung Vereinfachtes Naturbrandmodell nach DIN EN 1991-1-2 Anhang C

Ausführungsbeispiel - BBI

Stützen Terminalhalle

©gmp Architekten, JSK International, Visualisierung: Archimation / Berliner Flughäfen

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Ausführungsbeispiel - BBI

Bemessungs-Brandszenario & Bemessungsbrand

· Brandszenario

· Ticketschalter · Gepäckansammlung · Abdeckender Bemessungsbrand mit max. 6 MW

RHR [MW]

Q [MW] 7 6 5 Q [MW]

Ausführungsbeispiel - BBI

Brandschutzbemessung

Zwei maßgebliche Bauteilquerschnitte

H = 0,83 m (oberhalb Lasteinleitungssteifen) m = 0,32 => Tcrit = 654°C H = 0,60 m (Bereich Lasteinleitungssteifen) m = 0,25 => Tcrit = 691°C

· Brandfläche 24 m², RHRf,A = 250 kW/m² · Feuerwehreingriff nach 20 Minuten

4 3 2 1 0 0 500 1000 Zeit [s] 1500 2000

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Ausführungsbeispiel - BBI

Temperaturzeitverlauf nach Heskestad (EC 1-1-2 Anhang C)

Ausführungsbeispiel - BBI

Thermische Analyse Stütze H = 0,60 m

Tvorh = 688°C < 691°C = Tcrit

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Ausführungsbeispiel - BBI

Thermische Analyse Stütze H = 0,83 m

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Garage Alstertal-Einkaufszentrum in Hamburg

Anwendung Allgemeines Naturbrandmodell und Allgemeines Rechenverfahren

Tvorh = 639°C < 654°C = Tcrit

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Problemstellung

· 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 [email protected]

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Vorgehensweise beim Nachweis

· Betrachtung des Brandrisikos für Rettungswege und Standsicherheit · Brandszenario und Bemessungsbrand (mit Bauaufsicht und Feuerwehr abgestimmt) · Temperaturentwicklung bei Brand von PKW`s CFD-Simulation FDS Eurocode 1 Teil 1-2 FE-Modell ANSYS Eurocode 3 Teil 1-2 bzw. Eurocode 4 Teil 1-2 FE-Modell ANSYS · Erwärmung des Tragwerks (thermische Analyse)

· Trag- und Verformungsverhalten des Tragwerks (mechanische Analyse)

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Erfahrungen (Brandversuche) PKW-Brände in Garagen

Literatur -stelle Art Anzahl brennender Kfz Abstand Fahrzeuge [cm] 50 ­ 80 Zeitpunkt Feuerüberschlag [min] 10 Max. Temperatur [°C] Energiefreisetzung [MW] Gesamte Energie [GJ] Typ Garage

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Energiefreisetzungsrate Abbrand eines PKW

· Energiefreisetzung abhängig von Art des PKW · Versuche: 2,0 MW < RHR < 6,0 MW

Energiefreisetzungsrate von 1 PKW 5

vfdb4/97

Realbrand/ Sim. Versuch

3

650 (HG) 950 (Pl) 700-780 (HG) 950-1000 (Pl) 900 650-850 650-800

ca. 7,0 MW für 3 Kfz 3,7 ­ 4,6 MW pro Kfz

-

geschl.

· Österr. Bemessungskurve (Prof. Schneider): 3,8 MW

RHR [MW]

4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Zeit [min] RHR [MW]

vfdb4/ 2000

2

40 - 80

12 - 57

3,1-8,0

geschl.

· Abstimmung: Abbrand mehrerer PKW

6,0-9,5 3,0-3,9 geschl. offen offen

[5] [4] [1]

Simulation Versuch Versuch

3 3 1

-

10 15

ca. 14,5 MW für 4 Kfz 3,0-6,0 MW ca. 2 MW

· Max. Energiefreisetzungsrate pro PKW 4,5 MW

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Brandszenario

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Angesetzter Bemessungsbrand

· 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

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Temperaturentwicklung in der Garage

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Erwärmung Träger ungeschützt und mit F 30-DSB

HT_s29r

800

Naturbrand Gurt Oben DSB Steg Mitte DSB Gurt Unten DSB Gurt Oben ungesch. Steg Mitte ungesch. Gurt Unten ungesch.

700

600

Temperatur [°C]

500

IPE 600

NT_29rsu

400

1000 900 800 PKW1_5 PKW2_5 PKW3_5 PKW4_5 PKW5_5 PKW6_5 PKW7_5 PKW8_5 PKW9_5

300

200

900

100

Temperatur [°C]

700 600 500 400 300 200 100 0 0

800

0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

700

Zeit [min]

Temperatur [°C]

600 500 400 300 200 100 0 0.0

Naturbrand Gurt Oben DSB Steg Mitte DSB Gurt Unten DSB Gurt Oben ungesch. Steg Mitte ungesch. Gurt Unten ungesch.

HEA 700

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

10

20

30

40

50

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60

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Zeit [min]

Zeit [min]

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Idealisierung des Tragwerks

· 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

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

FE-Modell

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Verformung der Deckenplatte (Schnitt in Achse t)

30

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Spannungen im UG Hauptträger Achse s/29-30

Spannungen Untergurt Hauptträger 100

0`

15`

30

50 0

Spannung [N/mm²]

30

30`

0 -50 -100 -150 -200

10

20

30

40 Stütze Feld

50

60

Nach 15 min

60`

30

30

45`

-250 -300 Zeit [min]

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Normalkraft Stahlquerschnitt Hauptträger Achse s/29-30

Normalkraft h29rs_Stahl_dsb

0 0 10 20 30 40 50 60

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Nachweis der Anschlüsse

· Globaler Nachweis erbracht · Problem sehr hohe Zwangkräfte · Anschlüsse nicht für Brandfall konstruiert (keine Langlöcher) · Problem Gefahr Abscheren der Schrauben durch axiale Zwangkräfte im

-500

Normalkraft [kN]

-1000

Normalkraft Stützbereich Stahlquerschnitt

Brandfall · Nachweis der Anschlüsse

-1500

-2000

-2500 Zeit [min]

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Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Kraftverlauf im Anschlussbereich

Ausführungsbeispiel ­ AEZ-Garage

Druckstücke zur Übertragung der Zwangkräfte im Anschluss

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14

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

Schlussfolgerungen für die Brandschutzbemessung

· 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

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Zusammenfassung und Fazit

Vorgehensweise bei Naturbrandverfahren

· Festlegung des maßgeblichen Brandszenarios bzw. Bemessungsbrandes (Naturbrandverfahren) · Simulation von Brandeinwirkung (Naturbrand) · Brandschutzbemessung durch Vereinf. bzw. Allgem. Berechnungsverfahren der Eurocodes

Zusammenfassung und Fazit

Brandschutzbemessung

· Erwärmungsberechnung: · Heißbemessung:

- Vereinfachtes Berechnungsverfahren - Allgemeines Berechnungsverfahren - Vereinfachtes Berechnungsverfahren (Temperaturebene, Tragfähigkeitsebene) - Allgemeines Berechnungsverfahren

T = (T2-T1)((t-t1)/(t2-t1))1/2+T1 für t1 < t <= t2

(t2;T2) T = (T3-T2)((t-t2)/(t3-t2))1/2+T2 für t > t2

Temperatur [°C] ..

(t1;T1) T= (T1-T0)/t ² t² +T0 1 für t1 <= t (t0;T0)

Zeit [min]

(t3;T3)

· Vereinfachtes Berechnungsverfahren:

Bereich 3

Bereich 1

Bereich 2

- Einzelbauteile - Ungezwängte Bauteile

· Allgemeines Berechnungsverfahren:

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- Gezwängte Bauteile - Gesamttragsysteme

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Zusammenfassung und Fazit

· Leistungsorient. Bemessung ist aufwändige Vorgehensweise

- Berechnung Erwärmung - Simulation Tragverhalten - Abstimmung mit Genehmigungsbehörden => Anwendung zurzeit nur in Einzelfällen

Kontaktinformationen

hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH

Rotherstraße 19 10245 Berlin Fraunhoferstraße 6 80469 München Kurze Mühren 20 20095 Hamburg Wilhelm-Leuschner-Straße 41 60329 Frankfurt am Main Geschäftsführer: Dipl.-Ing. Margot Ehrlicher Dipl.-Inf. BW (VWA) Stefan Truthän Dipl.-Ing. Karsten Foth Prokurist: Dipl.-Ing. Harald Niemöller Beirat: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Hosser Dr.-Ing. Karl-Heinz Schubert Amtsgericht Berlin Charlottenburg HRB 78 927 Deutsche Bank P+G AG BLZ 100 700 24 Konto-Nr. 1419100 IBAN-Nr. DE52100700240141910000 Swift-Code: DEUTDEDBBER Ust-IdNr. DE217656065

· 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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Phone: +49 (30) 89 59 55-0 Fax: +49 (30) 89 59 55-100

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15

Information

Sportstadien und Multifunktionsarenen

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