Brandbemessung mittels parametrischer Temperatur-Zeit-Kurve nach DIN EN 1991-1-2

Fachbeitrag

Mit RF-/STAHL EC3 können in RFEM beziehungsweise RSTAB nominelle Temperatur-Zeit-Kurven verwendet werden. Es sind die Einheitstemperatur-Kurve (ETK), die Außenbrandkurve und die Hydrocarbon-Brandkurve implementiert. Zudem besteht auch im Programm direkt die Möglichkeit, eine Stahlendtemperatur vorzugeben.

Diese Stahltemperatur kann beispielsweise mit einer parametrischen Temperatur-Zeit-Kurve berechnet worden sein, wie diese im Anhang der DIN EN 1991-1-2 vorhanden ist. Nachfolgend wird die Berechnung mittels der parametrischen Temperatur-Zeit-Kurve erläutert und angewendet.

Falls eine parametrische Brandbeanspruchung als Brandszenario genutzt wird, muss die lastabtragende Wirkung des Bauteils sichergestellt sein. Es darf kein Versagen des Bauteils während der gesamten Brandphase, einschließlich der Abkühlphase oder innerhalb einer geforderten Widerstandsdauer, auftreten. In Anhang A der EN 1991-1-2 ist eine sogenannte parametrische Temperatur-Zeit-Kurve gegeben. Dieses Brandszenario ist in Deutschland nicht mehr erlaubt, da es einen nationalen Anhang zu EN-1991-1-2 gibt, welcher verbindlich zu nutzen ist. Abgelöst wurde dieses Szenario durch einen Bemessungsbrand. Mit dieser Kurve kann ein mögliches Brandszenario komplett beschrieben werden, von der Entstehungsphase über die Vollbrandphase bis hin zur Abklingphase. Die Kurvenabschnitte sind durch markante Punkte begrenzt, die so den Verlauf der Wärmefreisetzungsrate ergeben. Bei der Bestimmung der Temperaturwerte muss allerdings noch zwischen ventilationsgesteuerten Bränden und brandlastgesteuerten Bränden unterschieden werden. Zudem ist dieses Naturbrandmodell nur begrenzt anwendbar. Es gilt für Grundflächen mit bis zu 400 m² und einer Höhe von bis zu 6 m. Für ventilationsgesteuerte Bemessungsbrände darf der charakteristische Wert der maximalen Wärmefreisetzungsrate nach folgenden Gleichungen berechnet werden.

Bild 01 - Schematische Darstellung der Temperatur-Zeit-Kurve nach dem vereinfachten Naturbrandmodell

Zur Berechnung der Temperatur im Stahlquerschnitt kann man beispielsweise Microsoft Excel verwenden. Unter Downloads findet sich ein Excel-Makro, welches die Temperatur berechnen kann. Der berechnete Wert kann dann im Modul direkt verwendet werden.

Berechnungsablauf

Das Programm berechnet zuerst aus den Ausgangswerten die Umhüllungsfläche, den Öffnungsfaktor und die einzelnen thermischen Eindringzahlen, welche anschließend gemittelten werden. Nun wird unterschieden, ob es sich um einen ventilationsgesteuerten oder brandlastgesteuerten Brand handelt. Diese Unterscheidung der Brandart trifft das Programm eigenständig anhand des Vergleichs von Qmax,v und Qmax,f. Im nächsten Schritt werden die einzelnen Zeitbereiche und die dazugehörigen Temperaturen mithilfe einer Referenzbrandlastdichte q = 1.300 MJ/m² berechnet. Nach dem Errechnen der Referenztemperaturbereiche folgt der Vergleich mit der vorhanden Brandlast und der Referenzbrandlast, um daraus die wirklich vorhandenen Zeitbereiche und dazugehörigen Temperaturen zu errechnen. Die Berechnung der einzelnen Punkte erfolgt über eine Schleife. Zudem ist die Einheits-Temperatur-Kurve (ETK) im Programm enthalten, um einen sofortigen Vergleich zum Naturbrandszenario zu erhalten.

Ergebnisse aus der Berechnung

Aus der Berechnung ist ersichtlich, dass der Naturbrand schwächer abläuft als die ETK, obwohl beim Naturbrandmodell eine sehr hohe Brandlastdichte gewählt wurde. Die Erwärmung des Brandraums verläuft auch nicht so schnell wie das bei der ETK der Fall ist, was näher an der Realität ist. Die Dauer eines Naturbrandszenarios ist meist deutlich länger als gefordert, da in diesem immer eine Abkühlphase enthalten ist. Diese Abkühlphase beinhaltet das Ausbrennen des Brandabschnitts und kann zum Beispiel durch Löschvorgänge deutlich verkürzt werden.

Bild 02 - Naturbrandszenario

Schlüsselwörter

Brandbemessung Brandkurve Brandschutz

Literatur

[1]   EN 1991-1-2: Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen - Brandeinwirkungen auf Tragwerke. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2002.

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