Brandschutznachweis für Stahlstäbe in RFEM 6

Fachbeitrag zum Thema Statik und Anwendung von Dlubal Software

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30. Dezember 2021

001729

Irena Kirova

Fachbeitrag

Bemessung

RFEM 6

Stahlbau

Stahl hat schlechte thermische Eigenschaften für den Brandschutz. Die Wärmeausdehnung bei steigender Temperatur ist im Vergleich zu anderen Baustoffen sehr hoch und kann bei Normaltemperatur zu Effekten führen, die aufgrund von Zwangsbeanspruchungen im Bauteil vorhanden waren.

Mit steigender Temperatur nimmt die Duktilität des Stahls zu, während die Festigkeit des Stahls abnimmt. Da Stahl bei einer Temperatur von 600 °C 50 % seiner Festigkeit einbüßt, ist es wichtig, die Bauteile vor Brandeinwirkungen zu schützen. Bei geschützten Stahlbauteilen kann die Feuerwiderstandsdauer aufgrund des verbesserten Erwärmungsverhaltens erhöht werden.

Brandschutznachweis in RFEM 6

In RFEM 6 ist es möglich, die Brandschutzkonfiguration für die Stahlbemessung mit den in Bild 1 gezeigten Tabellen zu definieren und die außergewöhnliche Bemessungssituation für die Brandschutzbemessung zu verwenden. Die maßgebende Einwirkung dieser Bemessungssituation wird dann mit der Tragfähigkeit für Brandtemperatur verglichen, woraus ein Nachweisverhältnis resultiert, das kleiner als 1 sein muss, damit der Nachweis erfüllt ist. Der Bemessungswert der Beanspruchbarkeit ergibt sich durch die Abminderung der Streckgrenze infolge der erhöhten Temperatur, wobei der Abminderungsfaktor von der Stahltemperatur θa zum Ende der erforderlichen Feuerwiderstandsdauer abhängt und gemäß [1], Tabelle 3.1. interpoliert wird.

Bemessungsparameter für den Brandschutz in RFEM 6

Die Bemessungsparameter für den Brandschutz in RFEM 6 können in der in Bild 2 dargestellten Maske angepasst werden. Soll die Endtemperatur analytisch definiert werden, sind die erforderliche Feuerwiderstandsdauer und das Analyse-Zeitintervall festzulegen.

Die Stahltemperatur θa zum Ende der erforderlichen Feuerwiderstandszeit tf,erf ergibt sich durch Berechnung der Temperaturerhöhung für den Stahl Δθa zu jedem Analysezeitraum nach Formel 8. Die Stahltemperatur für den nächsten Zeitschritt ergibt sich aus der Summe der Stahltemperatur des vorhergehenden Schritts und der Erwärmung Δθa bis zum Zeitpunkt t, wo sich die maßgebende Stahltemperatur ergibt.

Formel 8

Δθa,t = ksh · AmVca · ρa · h·net,d · Δt

[1] (4.25)

Mit:

ksh - Korrekturfaktor zur Berücksichtigung des Abschattungseffekts

Am/V - Profilfaktor (gibt das Verhältnis der ungeschützten Oberfläche zum Volumen wieder)

ca - Spezifische Wärmekapazität

ρa - Dichte von Stahl

Δt - Intervall für den Zeitschritt

hnet,d - Netto-Wärmestrom

Die Bemessungsparameter, die die Berechnung der Endtemperatur beeinflussen, sind in der in Bild 2 dargestellten Brandschutzkonfiguration zu ermitteln. Die Anzahl der brandbeanspruchten Querschnittsseiten ist daher festzulegen, da diese die Ermittlung der Querschnittsbeiwerte gemäß [1] Tabelle 4.2 und Tabelle 4.3. beeinflusst.

Als nächstes ist die Temperaturkurve zur Ermittlung der Gastemperatur auszuwählen. Es stehen drei Kurven zur Auswahl: die Einheitstemperatur-Kurve (ETK), die Außenbrandkurve und die Hydrocarbon-Brandkurve (Bild 3 bis Bild 5). Aus diesen Diagrammen kann das Programm die Gastemperatur ermitteln.

Der Konfigurationsfaktor, die Emissivität des Stahlstabes und die Brandemission als Faktoren für die Nettoflussermittlung nach [1] und [2] sind programmseitig voreingestellt, können aber vom Anwender an die Gegebenheiten angepasst werden. Der günstige Effekt der Feuerverzinkung von Bauteilen kann auch bei der Ermittlung der Stahltemperatur berücksichtigt werden, indem die Option "Verzinkte Oberfläche des Kohlenstoffstahlstabes" ausgewählt wird. In der Regel wird bis zur Grenztemperatur der untere Oberflächenemissionsgrad der verzinkten Oberfläche εm,lim berücksichtigt. Bei höheren Temperaturen hingegen wird das Oberflächenemissionsvermögen des Kohlenstoffstahls (εm ) berücksichtigt.

Sollen die Stahlbauteile gegen die Brandeinwirkung geschützt werden, sollte der Anwender eine neue Brandschutzkonfiguration anlegen und diesen Bauteilen zuweisen. Die Brandschutzparameter wie die Schutzart, Einheitsmasse, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme und Dicke des Schutzes können einfach definiert werden, wie in Bild 6 dargestellt. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Brandschutzkonfigurationen definieren und unterschiedlichen Bauteilen zuordnen. Diese Konfigurationen können sich nicht nur in Bezug auf die Schutzparameter, sondern auch in Bezug auf alle anderen oben erwähnten Brandschutznachweisparameter unterscheiden.

Falls die Endtemperatur bevorzugt manuell und nicht wie im vorhergehenden Text beschrieben analytisch definiert werden soll, kann dies wie in Bild 7 dargestellt erfolgen.

Ausnutzungen im Hinblick auf den Brandschutz

Nach der Berechnung der Stahlbemessung wird die Ausnutzung der Stäbe hinsichtlich des Brandschutzes wie in Bild 8 dargestellt in die Ergebnistabelle übernommen. Auch die Nachweisdetails mit dem Hinweis auf die für den Nachweis verwendeten Gleichungen und Tabellen können angezeigt werden (Bild 9).

Autor

Irena Kirova, M.Sc.

Irena Kirova, M.Sc.

Marketing & Customer Support

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

Schlüsselwörter

Brandschutznachweis Brandbemessung Tragwerksbemessung für den Brandfall

Literatur

[1]   Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten − Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2010.
[2]   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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  • Aktualisiert 12. Januar 2022

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RFEM 6
Halle mit Bogendach

Basisprogramm

Die Statiksoftware RFEM 6 ist die Basis einer modularen Software.
Das Hauptprogramm RFEM 5 dient zur Definition der Struktur, Materialien und Einwirkungen ebener und räumlicher Platten-, Scheiben-, Schalen- und Stabtragwerke.
Das Programm kann auch Mischstrukturen sowie Volumen- und Kontaktelemente bemessen.

Erstlizenzpreis
3.990,00 USD