Tragwerksbemessung für den Brandfall nach DIN EN 1993-1-2 (Brandkurven)

Fachbeitrag

Mit RF-/STAHL EC3 können in RFEM beziehungsweise RSTAB nominelle Temperaturzeitkurven 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 1992-1-2 vorhanden ist. Nachfolgend sind die unterschiedlichen Brandbeanspruchungen erläutert.

Der Brand

Der Brand ist eine Einwirkung auf das Tragwerk und demzufolge mit allen Randbedingungen in EN 1991-1-2 geregelt. Hier sind auch alle nominellen Temperaturzeitkurven und einfachen Naturbrandmodelle enthalten, die auf ein Tragwerk einwirken können.

Nominelle Temperaturzeitkurven

Im Laufe der Jahre wurden, um das Verhalten von Bauteilen bei Bränden beurteilen zu können, viele Brandversuche durchgeführt. Im Rahmen dieser Versuche konnte man die Entwicklung eines Feuers im zeitlichen Verlauf sowie dem Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Brandlast und der Bauteile und Baustoffe festlegen. Diese Temperaturzeitkurven sind nur bedingt anwendbar, da sie keine Entstehungsphase und Abkühlphase beinhalten. Aufgrund der Versuche und für eine normenmäßige Beurteilung wurde ein auf internationale Vereinbarungen beruhendes Temperatur-Zeit-Gesetz festgelegt. In DIN EN 1991-1-2 sind drei Brandkurvenkonzepte hinterlegt welche für das vereinfachte Verfahren nach DIN EN 1993-1-2 verwendet werden können.

Bild 01 - Brandkurvenkonzepte nach DIN EN 1991-1-2

Einheitstemperatur-Kurve (ETK):
Θg = 20 + 345 ∙ log10(8 ∙ t +1)
αc = 25 ∙ [W / (m ∙ K)]

Außenbrandkurve:
Θg = 660 ∙ (1 - 0,687 ∙ e0,32 ∙ t - 0,313 ∙ e-3,8 ∙ t) + 20
αc = 25 ∙ [W / (m ∙ K)]

Hydrocarbon-Brandkurve:
Θg = 1.060 ∙ (1 - 0,325 ∙ e-0,167 ∙ t - 0,675 ∙ e-2,5 ∙ t) + 20
αc = 50 ∙ [W / (m ∙ K)]

Zudem gibt es eine parametrisierte Brandschutzkurve, die allerdings zur Nutzung des allgemeinen Brandschutznachweises nach DIN EN 1993-1-2 bestimmt ist. Dabei ist die ETK die am meisten genutzte Brandkurve, da nach dieser Brandkurve auch die meisten experimentellen Untersuchungen für Brandschutzmaterialien durchgeführt werden. Die Außenbrandkurve hat dagegen keine hohe Bedeutung, da die Temperatur dieser Kurve auf 660° C ansteigt und daher für längere Branddauern mit Brandschutzmaterial nicht geeignet ist. Die Hydrocarbon-Brandkurve kommt einer Tunnelbrandkurve gleich, da die Temperatur dieser Kurve auf 1350° C ansteigt und der Anstieg auch steiler ist als bei allen anderen Brandkurven.

Parametrische Brandbeanspruchung

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 EN 1991-1-2 ist im Anhang A eine sogenannte parametrische Temperaturzeitkurve 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 beschreiben werden, das heißt: von der Entstehungsphase über die Vollbrandphase bis hin zur Abklingphase.

Bild 02 - parametrische Temperaturzeitkurve nach EN 1991-1-2/NA

Die Kurvenabschnitte sind durch markante Punkte begrenzt, die so den Verlauf der Wärmefreisetzungsrate ergeben. Bei der Bestimmung der Temperaturwerte muss 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 mit den Gleichungen im Anhang A berechnet werden.

Literatur

[1] Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen - Brandeinwirkungen auf Tragwerke; EN 1991-1-2:2002 + AC:2009
[2] Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen - Brandeinwirkungen auf Tragwerke; DIN EN 1991-1-2/NA:2015-09
[3] Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau; EN 1993-1-1:2005 + AC:2009
[4] Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau; DIN EN 1993-1-1/NA:2015-08
[5] Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall; EN 1993-1-2:2005 + AC:2009
[6] Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 1-2: Allgemeine Regeln - Tragwerksbemessung für den Brandfall; DIN EN 1993-1-2/NA:2010-12

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