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Irena Kirova, M.Sc.

15. Februar 2024

Brandschutznachweis für Stahlstäbe in RFEM 6

Stahl weist hinsichtlich des Brandschutzes schlechte thermische Eigenschaften auf. Die Wärmeausdehnung bei steigender Temperatur ist im Vergleich zu anderen Baustoffen sehr hoch und kann aufgrund von Zwangsbeanspruchung im Bauteil zu Effekten führen, die bei Bemessung mit Normaltemperatur nicht berücksichtigt wurden. 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 eines Brandes zu schützen. Bei geschützten Stahlbauteilen kann die Brandschutzdauer aufgrund des verbesserten Erwärmungsverhaltens verlängert werden.

Brandschutzbemessung in RFEM 6

In RFEM 6 ist es möglich, die Brandschutzkonfiguration für die Stahlbemessung anhand 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 das Nachweiskriterium ergibt, das kleiner als 1 sein muss, damit die Bemessung erfüllt ist. Der Bemessungswert des Widerstands ergibt sich aus der Verringerung der Streckgrenze infolge der erhöhten Temperatur, wobei der Reduktionsfaktor von der Stahltemperatur θa am Ende der erforderlichen Dauer des Brandschutzes 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 Dauer des Brandschutzes und das Zeitintervall der Analyse festzulegen.

2 Parameter für Brandschutznachweis

Die Stahltemperatur θ_a am Ende der erforderlichen Dauer des Brandschutzes t_f,erf wird ermittelt, indem die Temperaturerhöhung des Stahls Δθ_a bei jedem Zeitintervall der Analyse 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 Bemessungsparameter, die die Berechnung der Endtemperatur beeinflussen, müssen in der in Bild 2 dargestellten Brandschutzkonfiguration bestimmt werden. Daher muss die Anzahl der dem Brand ausgesetzten Querschnittsseiten festgelegt werden, da dies die Ermittlung der Querschnittsfaktoren gemäß [1], Tabellen 4.2 und 4.3, beeinflusst.

Als Nächstes muss die Temperaturkurve zur Bestimmung der Gastemperatur ausgewählt werden. Es stehen drei Kurven zur Auswahl: die Standard-Zeit-Temperatur-Kurve (ETK), die Außenbrandkurve und die Hydrokarbon-Brandkurve (Bild 3 bis Bild 5). Anhand dieser Diagramme kann das Programm die Gastemperatur ermitteln.

3 Einheits-Temperaturzeitkurve

4 Außenbrandkurve

5 Hydrokarbon-Brandkurve

Der Konfigurationsfaktor, der Emissionsgrad des Stahlstabs und der Emissionsgrad des Brandes als Faktoren für die Ermittlung des Nettoflusses gemäß [1] und [2] sind vom Programm voreingestellt, können jedoch vom Benutzer an spezifische Bedingungen angepasst werden. Der vorteilhafte Effekt der Feuerverzinkung von Bauteilen kann bei der Bestimmung der Stahltemperatur ebenfalls berücksichtigt werden, indem die Option „Verzinkte Oberfläche des Stabs aus Kohlenstoffstahl“ ausgewählt wird. Im Allgemeinen wird bis zur Grenztemperatur der niedrigere Flächenemissionsgrad der verzinkten Fläche ε_m,lim berücksichtigt. Bei höheren Temperaturen hingegen wird der Flächenemissionsgrad des Kohlenstoffstahls (ε_m) berücksichtigt.

Wenn die Stahlbauteile gegen die Auswirkungen eines Brandes geschützt sind, sollte der Benutzer eine neue Brandschutzkonfiguration erstellen und diese den Komponenten zuweisen. Die Brandschutzparameter wie Schutztyp, Rohdichte, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme und Dicke des Schutzes lassen sich leicht definieren, wie in Bild 6 dargestellt. Auf diese Weise können verschiedene Brandschutzkonfigurationen definiert und unterschiedlichen Bauteilen zugewiesen werden. Diese Konfigurationen können sich nicht nur hinsichtlich der Schutzparameter unterscheiden, sondern auch hinsichtlich aller anderen oben genannten Brandbemessungsparameter.

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

Ausnutzungen im Hinblick auf den Brandschutz

Sobald die Stahlbemessung berechnet ist, wird die Ausnutzung an Stäben hinsichtlich Brandschutz in die Tabelle „Ergebnisse“ aufgenommen, wie in Bild 8 dargestellt. Die Nachweisdetails sowie die Verweise 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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