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Irena Kirova, M.Sc.

15. Februar 2024

Brandschutznachweis für Stahlstäbe in RFEM 6

Stahl weist in Bezug auf den Feuerwiderstand schlechte thermische Eigenschaften auf. Die thermische Ausdehnung bei steigender Temperatur ist im Vergleich zu anderen Baustoffen sehr hoch und kann aufgrund von Zwängungen im Bauteil zu Auswirkungen führen, die im Entwurf bei Normaltemperatur nicht berücksichtigt waren. Mit steigender Temperatur nimmt die Duktilität von Stahl zu, während seine Festigkeit abnimmt. Da Stahl bei einer Temperatur von 600 °C 50 % seiner Festigkeit verliert, ist es wichtig, Bauteile vor den Auswirkungen von Brand zu schützen. Bei geschützten Stahlbauteilen kann die Feuerwiderstandsdauer aufgrund des verbesserten Erwärmungsverhaltens erhöht werden.

Brandschutzbemessung in RFEM 6

In RFEM 6 ist es möglich, die Brandschutzkonfiguration für den Stahlbau mithilfe der in Bild 1 dargestellten Tabellen und unter Verwendung der außergewöhnlichen Bemessungssituation für die Brandschutzbemessung zu definieren. Die maßgebende Einwirkung dieser Bemessungssituation wird dann mit dem Bemessungswiderstand für die Brandtemperatur verglichen, woraus sich der Ausnutzungsgrad des Nachweises ergibt, der kleiner als 1 sein muss, damit der Nachweis erfüllt ist. Der Bemessungswert des Widerstands wird durch Reduzierung der Streckgrenze infolge der erhöhten Temperatur ermittelt, wobei der Reduktionsfaktor von der Stahltemperatur θa am Ende der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer abhängt und aus [1], Tabelle 3.1, interpoliert wird.

1 Brandschutzkonfigurationen

Brandschutzparameter in RFEM 6

Die Brandschutzparameter in RFEM 6 können im in Bild 2 dargestellten Fenster angepasst werden. Soll die Endtemperatur analytisch bestimmt werden, sind die erforderliche Feuerwiderstandsdauer und das Analysezeitintervall festzulegen.

2 Parameter für Brandschutznachweis

Die Stahltemperatur θ_a am Ende der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer t_f,req wird ermittelt, indem die Temperaturerhöhung des Stahls Δθ_a für jedes Analysezeitintervall gemäß Gleichung (4.25) von [1] berechnet wird. Die Stahltemperatur für den nächsten Zeitschritt ergibt sich aus der Summe der Stahltemperatur des vorherigen Schritts und der Erwärmung Δθ_a bis zum Zeitpunkt t, an dem die maßgebende Stahltemperatur ermittelt wird.

{Δθ}_{a, t} = k_{sh} \cdot \frac{\frac{A_{m}}{V}}{c_{a} \cdot ρ_{a}} \cdot {\overset{\cdot}{h}}_{net, d} \cdot Δt

k_sh	Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Abschattungseffekts
A_m/V	Profilfaktor (gibt das Verhältnis der ungeschützten Oberfläche zum Volumen wieder)
c_a	Spezifische Wärmekapazität
ρ_a	Dichte des Stahls
Δt	Intervall für den Zeitschritt
h_net,d	Netto-Wärmestrom

Gleichung EN 1993-1-2 (4.25)

Die die Berechnung der Endtemperatur beeinflussenden Bemessungsparameter sind in der in Bild 2 dargestellten Brandschutzkonfiguration festzulegen. Daher ist die Anzahl der dem Feuer ausgesetzten Querschnittsseiten zu definieren, da sie die Ermittlung der Querschnittsfaktoren gemäß [1], Tabellen 4.2 und 4.3, beeinflusst.

Anschließend ist die Temperaturkurve zur Ermittlung der Gastemperatur auszuwählen. Es stehen drei Kurven zur Auswahl: die Standard-Zeit-Temperatur-Kurve (ETK), die äußere Brandkurve und die Kohlenwasserstoff-Brandkurve (Bild 3 bis Bild 5). Das Programm kann die Gastemperatur auf Grundlage dieser Diagramme bestimmen.

3 Einheits-Temperaturzeitkurve

4 Außenbrandkurve

5 Hydrokarbon-Brandkurve

Der Konfigurationsfaktor, der Emissionsgrad des Stahlbauteils und der Emissionsgrad des Brandes als Faktoren für die Bestimmung des Nettowärmeflusses gemäß [1] und [2] sind vom Programm vorgegeben, der Anwender kann sie jedoch an spezifische Bedingungen anpassen. Der günstige Effekt einer Feuerverzinkung von Bauteilen kann bei der Ermittlung der Stahltemperatur ebenfalls berücksichtigt werden, indem die Option „Feuerverzinkte Oberfläche eines Baustahlbauteils“ ausgewählt wird. Im Allgemeinen wird der niedrigere Oberflächenemissionsgrad der verzinkten Oberfläche ε_m,lim bis zur Grenztemperatur angesetzt. Bei höheren Temperaturen wird hingegen der Oberflächenemissionsgrad des Baustahls (ε_m) berücksichtigt.

Sind die Stahlbauteile gegen die Einwirkungen eines Brandes geschützt, sollte der Anwender eine neue Brandschutzkonfiguration erstellen und diese den Bauteilen zuweisen. Die Brandschutzparameter wie Schutzart, Flächenmasse, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dicke des Schutzes können, wie in Bild 6 dargestellt, einfach definiert werden. Auf diese Weise können verschiedene Brandschutzkonfigurationen definiert und unterschiedlichen Bauteilen zugewiesen werden. Diese Konfigurationen können sich nicht nur hinsichtlich der Schutzparameter, sondern auch hinsichtlich aller oben genannten übrigen Brandschutzparameter unterscheiden.

6 Brandschutzkonfiguration für geschützte Bauteile

Wenn es der Wunsch des Anwenders ist, die Endtemperatur manuell und nicht wie im vorangegangenen Text beschrieben analytisch festzulegen, kann dies wie in Bild 7 gezeigt erfolgen.

7 Manuelle Definition der endgültigen Materialtemperatur

Ausnutzungsgrade im Hinblick auf den Brandschutz

Nach der Berechnung des Stahlbaus ist der Ausnutzungsgrad der Bauteile im Hinblick auf den Brandschutz in der Tabelle Ergebnisse enthalten, wie in Bild 8 dargestellt. Die Details des Nachweises sowie der Verweis auf die für den Nachweis verwendeten Gleichungen und Tabellen können ebenfalls angezeigt werden (Bild 9).

8 Ausnutzungen im Hinblick auf den Brandschutz

9 Nachweisdetails

Autor

Frau Kirova ist bei Dlubal zuständig für die Erstellung von technischen Fachbeiträgen und unterstützt unsere Anwender im Kundensupport.

Referenzen

Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten − Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2010.
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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