Bemessung von Tragsystemen mehrgeschossiger Gebäude in Stahlbauweise für realistische Brandbeanspruchung

Die Brandschutzanforderungen an Bauteile beziehen sich auf die Einheitstemperaturzeitkurve (ETK), die alle den Brand beeinflussenden Randbedingungen auf der sicheren Seite liegend abdecken soll. Durch diese pauschalisierende Bemessungsgrundlage sowie der Bemessung von aus dem Gesamttragwerk herausgelösten Einzelbauteilen resultieren teilweise überhöhte und undifferenzierte Anforderungen, die die Stahlbauweise im Vergleich zu massiven Bauweisen benachteiligen. Die Konsequenz daraus führt i. d. R. dazu, dass Stahlbauteile bekleidet werden müssen. In dieser Arbeit werden Verfahren vorgestellt, mit denen einerseits die thermische Einwirkungen realer Brände in mehrgeschossigen Gebäuden bei einer realistischen Brandentwicklung und andererseits die Tragreserven in Bauwerksystemen mehrgeschossigen Stahl-Verbundkonstruktionen unter Berücksichtigung von Lastumlagerungen von brandbeanspruchten zu nicht-brandbeanspruchten Tragwerksteilen in Ansatz gebracht werden können. Durch diese risikogerechte brandschutztechnische Beurteilung und Bemessung können übermäßige Anforderungen gesenkt und Kosten bei Brandschutzmaterialien wie z. B. Bekleidungen und dämmschichtbildenden Anstrichen eingespart werden. Auf der Grundlage eines definierten Bemessungsfeuers werden Temperaturzeitverläufe natürlicher Brände in Abhängigkeit der tatsächlich vorhandenen Randbedingungen ermittelt, mit vereinfachten Gleichungen in Form von sogenannten Realbrandkurven formuliert und nach verschiedenen Methoden validiert. Mit den Realbrandkurven lassen sich die thermischen Einwirkungen eines natürlichen Brandes in mehrgeschossigen Wohn- und Bürogebäuden für die Bauteilauslegung realistischer als mit der ETK erfassen, ohne auf die Anwendung relativ komplizierter Wärmebilanzmodelle angewiesen zu sein. Im Vergleich zu anderen vereinfachten Verfahren zur Bestimmung von Temperaturzeitverläufen in Wohn- und Bürogebäuden zeichnet die Realbrandkurven aus, dass sie auf einem international anerkannten Ansatz für die Energiefreisetzungsrate basieren und die vorhandenen Ventilationsverhältnisse sowie ggf. auch Änderungen der Randbedingungen (Glasbruch, Wanddurchbruch, Zellenbauweise, Eingriff der Feuerwehr) berücksichtigen können. Für die Durchführung von Tragwerksanalysen im Brandfall wird ein Rechenmodell beschrieben, mit dem das Trag- und Verformungsverhalten von Gesamttragwerken mit Bauteilen aus Stahl und Beton mittels FE-Analyse simuliert werden kann. Das Rechenmodell wird durch Nachrechnung von Brandversuchen an Bauteilen und Teiltragwerken validiert. Auf der Basis der numerischen Berechnungen wird aufgezeigt, wie Bauwerksysteme in Stahl-Verbundbauweise aus der Sicht des Brandschutzes optimiert werden können. Durch Optimierung der Träger/Stützenverbindungen können die im Brandfall auftretenden Zwangkräfte in den Stahlträgern und Anschlüssen reduziert werden. Aufgrund von Parameterstudien für verschiedene Brandszenarien werden Randbedingungen formuliert, unter denen die Ausführung ungeschützter Stahlbauteile in einem Gesamttragwerk möglich ist. Bei der Brandschadensanierung bieten Bauwerksysteme mit momentfreien Stahlbauanschlüssen sowie aufliegenden Beton-Fertigteilelementen große Vorteile. Aufgrund des modulartigem Aufbau des Tragwerks können Stahlträger und Deckenplatten im geschädigten Bereich entfernt werden, ohne dass das Resttragwerk in seiner Standsicherheit gefährdet wird.