1 Bedeutung der Brandszenarien nach Eurocode im Rahmen von Brandschutzkonzepten und deren Prüfung Dr.-Ing. Jochen Zehfuß Niederlassungsleiter Hamburg hhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH Arbeitstagung der Bundesvereinigung der Prüfingenieure für Bautechnik e. V. am 23. und 24. Sept. 2011 in Rostock-Warnemünde
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Bedeutung der Brandszenarien nach Eurocode im Rahmen von Brandschutzkonzepten und deren Prüfung
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Bedeutung der Brandszenarien nach Eurocode im Rahmen von Brandschutzkonzepten und deren Prüfung
Dr.-Ing. Jochen ZehfußNiederlassungsleiter Hamburghhpberlin Ingenieure für Brandschutz GmbH
Arbeitstagung der Bundesvereinigung der Prüfingenieure für Bautechnik e. V.am 23. und 24. Sept. 2011in Rostock-Warnemünde
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Inhaltsübersicht
• Einführung
• Eurocode 1 Teil 1-2 und Nationaler Anhang
• Brandszenarien und Bemessungsbrände
• Naturbrandmodelle
• Sicherheitskonzept nach EC 1-1-2/NA
• Anwendungsbeispiel
• Zusammenfassung und Ausblick
3
Brandschutzteile der Eurocodes
• Veröffentlichung der Brandschutzteile der ECs (Teil 1-2) sowie zugehöriger Nationaler Anhänge im Dezember 2010
• EC 1-1-2 und NA Einwirkungen
• EC 2-1-2 und NA Stahlbeton- und Spannbetontragwerke
• EC 3-1-2 und NA Stahlbauten
• EC 4-1-2 und NA Verbundtragwerke
• EC 5-1-2 und NA Holzbauten
• [EC 6-1-2 Mauerwerk, EC 9-1-2 Aluminium]
Jochen Zehfuß
exakte Bezeichnung der EC-Teile prüfen
Jochen Zehfuß
Stand prüfen
4
Bauaufsichtliche Einführung
• Übernahme der ECs und NA in LTB geplant zum 01.07.2012
• DIN 4102-4 und DIN 4102-22 werden zum 01.07.2012 zurückgezogen
• „Restnorm“ DIN 4102-4 mit nicht in den Eurocodes enthaltenen Regelungen (Sonderbauteile, historische Bauweisen) soll zum 01.07.2012 erscheinen und in LTB übernommen werden
• Ab 01.07.2012 muss brandschutztechnische Bemessung mit den Eurocodes durchgeführt werden
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Zwischenphase
• Phase bis zum 01.07.2011, Papier der FK Bautechnik
….
6
Zwischenphase
• Naturbrandverfahren werden im Sinne von § 3 (3) der MBO nicht als „gleichwertig“ anerkannt
• Für Sonderbauten jedoch über Abweichung Naturbrandbemessung möglich wie bisher auch
• Bis 01.07.2012 soll Beschränkung der FK Bautechnik zurückgenommen werden => Veröffentlichung Beispiele (Beuth-Kommentar,…)
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EC 1-1-2 und EC 1-1-2/NA
• Normtext
• Informative Anhänge
• Anhang A Parametr. Temperaturzeitkurven => EC 1-1-2/NA AA
• Anhang B Thermische Einwirkungen außenliegende Bauteile
• Anhang C Lokale Brände
• Anhang D Erweiterte Naturbrandmodelle => EC 1-1-2/NA CC
• Anhang E Brandlastdichten (Sicherheitskonzept) => EC 1-1-2/NA BB
• Anhang G Konfigurationsfaktor
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Änderungen in ECs1-2/NA vs. ENV
• Naturbrandverfahren sind anwendbar
• Sicherheitskonzept steht zur Verfügung
• Leistungsorientierte Brandschutznachweise mit realistischen Bemessungsbränden sind möglich
• Festlegung von Brandszenarien und Bemessungsbränden erforderlich
• Einbettung der Brandszenarien in ein ganzheitliches Brandschutzkonzept erforderlich
• Prüfung der Einwirkung Brand erforderlich (war bei ETK nicht erforderlich)
• Sorgfältige Prüfung der angesetzten Ventilationsöffnungen erforderlich
w,i w,ii
ww
h Ah =
A
22
Brandraumgeometrie / Brandausbreitung
• Umfassungsbauteile mit ausreichender FW-Fähigkeit
• Begrenzung des Brandes auf den originären Brandraum
• Umfassungsbauteile werden mit Naturbrandverfahren bemessen
• Feuerwiderstandsdauer Raumabschluss Trennwände nach BauO /
SonderbauVO (Bürotrennwände wie Flurtrennwände) F 90 / T 30
• Umfassungsbauteile ohne ausreichende FW-Fähigkeit
• Brandausbreitung in Nachbarräume ist zu untersuchen
• Brand in Nutzungseinheit (i. d. R. max. horizontale Ausdehnung)
• Maßgeblicher Fall ist zu untersuchen
• Brand im originären Brandraum
• Brand in ges. Nutzungseinheit (innere Trennwände vernachlässigt)
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Festlegung des Bemessungsbrandes
• Definition des maßgeblichen Brandszenarios / Bemessungsbrandes
• Szenarienort
• Brandlast
• Ventilationsverhältnisse
• Brandraumgeometrie
• Anlagentechnische Brandschutzmaßnahmen
• Wahl des geeigneten Naturbrandmodells
Þ Beschreibung, Herleitung und Berechnung im Kontext des
Brandschutzkonzeptes
Þ Prüfung
24
(t1, Q1)
(t2, Q2)
(t3, Q3)
Naturbrandmodelle nach EC 1-1-2
• Parametrische Temperaturzeitkurven
• Plume-Modelle
• Ein-Zonenmodelle
• Mehrzonenmodelle
• CFD-Modelle
Branddauer t [min]
Tem
pera
tur Q
[°C
]
Vereinfachte Naturbrandmodelle
Allgemeine Naturbrandmodelle
25
Parametrische Kurven EC 1-1-2
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60time [min]
tem
pe
ratu
rer
[°C
]
0
10
20
30
40
rate
of
he
at
rele
ase
[M
W]
temperature test
temperature EN 1991
rate of heat release EN 1991
keine zeitliche Korrelation zwischen Wärmefreisetzungsrate und Temperaturzeitkurve vorhanden
26Zeit [s]
Wä
rme
fre
ise
tzu
ng
sra
te [
MW
]
Vollbrandphase
Abklingphase
70% der Brandlast verbrannt
Q1 Q2Q3
t1 t2 t3
Brand-ausbrei-
tung
brandlastgesteuerter nd
Vollbrandphase Abklingphase
70% der Brandlast verbrannt
Q1 Q2Q3
t1 t2 t3
ventilationsgesteuerter Brand
brandlastgesteuerter Brand
Grundlage: Bemessungsbrand
27
Wärmefreisetzungsrate
• Ventilationsgesteuerter Brand- Fläche der Ventilationsöffnungen Aw
- gemittelte Höhe der Ventilationsöffnungen hw
- gemittelter unterer Heizwert der Brandlasten Hu
- gemittelte Verbrennungseffektivität der Brandlasten
• Wohn- und Büronutzungen
max,v w wQ 1,21 A h [MW]
Q
= 0,1
28
Wärmefreisetzungsrate
• Ventilationsgesteuerter Brand– Wohn- und Büronutzungen
max,v w wQ 1,21 A h [MW]
Q
max,f fQ 0,25 A [MW]
• Brandlastgesteuerter Brand- Brennende Fläche Af
- Flächenbezogene Wärmefreisetzung
- Wohn- und Büronutzungen
• Maximum Wärmefreisetzungsrate (vereinfacht)MIN (; )
= · Af [MW]
29
Vereinf. Naturbrandmodell EC-1-1-2/NA
Zeit
Wä
rme
fre
ise
tzu
ng
sra
te
t1 t2t3
30
Wärmefreisetzung / Temperaturverlauf
Zeit
Te
mp
era
tur
Wä
rme
fre
ise
tzu
ng
sra
teQ1
t1 t2t3
Q3
Q2
31
Referenzbrandlastdichte q = 1300 MJ/m²
Zeit
Te
mp
era
tur
Wä
rme
fre
ise
tzu
ng
sra
teQ1
t1 t2t3
Q3
Q2
q = 1300 MJ/m²
32
Beliebige Brandlastdichte (z. B. 500 MJ/m²)
Zeit
Te
mp
era
tur
Wä
rme
fre
ise
tzu
ng
sra
teQ1
t1 t2t3
Q3
Q2
t2,500 t3,500
Q3,500
Q2,500
q = 1300 MJ/m²qx = 500 MJ/m²
Formulierung EC 1-1-2/NA Parametr. Kurven
• Grundfläche max. 400 m²• Höhe max. 5 m• Keine horizontalen Öffnungsflächen• Vertikale Öffnungsflächen von 12,5% bis 50% der
Grundfläche• Brandlast annähernd gleich verteilt• Brandlastdichte von 100 MJ/m² bis 1300 MJ/m²• Voll entwickelter Brand (kein lokaler Brand)• z. B. keine Verkehrsbauwerke mit geringen
Brandlasten, hohen und großen Räumen
Anwendungsgrenzen EC 1-1-2/NA Kurven
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Sicherheitskonzept nach EC 1-1-2/NA
• Ziel: Sicherstellung der erford. Zuverlässigkeit der Brandschutzbemessung– Seltenheit Brandereignis
– Konservative Festlegung des Bemessungsbrandes
– Quantifizierung des Sicherheitsniveaus unter Berücksichtigung anlagentechnischer Maßnahmen möglich
• Ein gangs größen für die Brandeinwirkungen werden mit Teilsicherheitsbeiwerten beaufschlagt– max. Wärmefreisetzungsrate
– Brandlastdichte
Berücksichtigung des anlagentechnischen Brandschutzes …Prof. Dr.-Ing. D. Hosser und Dr.-Ing. C. Klinzmann TU Braunschweig
Risikoabschätzung Verhältnis der Auftretenswahrscheinlichkeiten
Brand-eintritt
LA
Versagen/nicht verfügbar
Erfolg/Verfügbar
pLA =0,02
1-pLA =0,98(1) Löschen des Brandes durch die Löschanlage
FW
pFW =0,2
1-pFW =0,8
(3) Versagen der Löschanlage und Versagen der Feuerwehr, die Ausbreitung zu verhindern
(2) Versagen der Löschanlage, Löschen des Brandes durch die Feuerwehr
36
pE = 0,98
pE = 0,004
pE = 0,016
62:1
4:1
Wenn das Verhältnis der Bauteilschäden von Szenario 3 zu Szenario 2 größer als 4:1 ist, dominiert der Risikobeitrag (Wahrscheinlichkeit x Schaden) von Szenario 3 (Vollbrand)
Berücksichtigung des anlagentechnischen Brandschutzes …Prof. Dr.-Ing. D. Hosser und Dr.-Ing. C. Klinzmann TU Braunschweig
Erforderliche Zuverlässigkeit im Brandfall
Auftretenswahrscheinlichkeiteines Entstehungsbrandes in einerNutzungseinheit der Fläche A in t Jahren
Quelle: Bub et al., 1983
1 1 11 exp( )p A t A t Der Brand als außergewöhnliches Ereignis:
Auftretenswahrscheinlichkeiteines Schadenfeuers (Vollbrandes)mit p2 = Versagen der Löscharbeiten p3 = Versagen einer Löschanlage
1 2 3fip p p p
Versagenswahrscheinlichkeit einesBauteils durch Tragfähigkeitsverlust
, ff fi
fi
pp
pBedingte Versagenswahrscheinlich-keit des Bauteils im Brandfall
Zuverlässigkeitsindex im Brandfall
( )fp
1,( )fi f fip
gilt nur bei Unabhängigkeit von p1, p2 , p3
mit 1 = mittlere Auftretensrateje m2 Grundfläche und Jahr
37
Berücksichtigung des anlagentechnischen Brandschutzes …Prof. Dr.-Ing. D. Hosser und Dr.-Ing. C. Klinzmann TU Braunschweig
Erforderliche Zuverlässigkeit
Nutzung Schadensfolgen
hoch mittel gering pf
pf pf
Wohngebäude, Bürogebäude und vergleichbare Nutzungen (nach LBO)
4,7 1,3E-6 4,2 1,3E-5 3,7 1,1E-4
Krankenhaus, Pflegeheim,
Beherbergungsstätte, Hotel,
Schule, Verkaufsstätte,
Versammlungsstätte, Hochhaus
5,2 1,0E-7 4,7 1,3E-6 4,2 1,3E-5
Industriegebäude 4,7 1,3E-6 4,2 1,3E-5 3,7 1,1E-4
Landwirtschaftlich genutzte Gebäude
-- -- 4,2 1,3E-5 3,7 1,1E-4
E DIN EN 1991-1-2/NA, Anhang BB
38
39
Teilsicherheitsbeiwerte fi
• Kurve 1: Brandlastdichte pauschal
• Kurve 2: Max. Wärmefreisetzungsrate und Brandlastdichte individuell
40
Anwendungsbeispiel
EurobahnhofSaarbrücken
farm3.static.flickr.com
Büro Decke Pos. 03
Haupteingang
42
9
3 4 5 6 7 8
A
B
C
Raumgeometrie Decke Büro Pos. 7.03
Fläche Büro: 74 m²Stat. System Decke: Durchlaufträger
43
Wärmefreisetzungsrate / Temperaturzeitverlauf
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60 70
Zeit [min]
En
erg
iefr
eise
tzu
ng
srat
e [M
W]
0
200
400
600
800
1000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
]
44
Temperaturverteilung
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Zeit [min]
Tem
pera
tur
[°C
]
0 cm2,8 cm25,0 cm30,0 cmHeißgastemp
2
25 8
0 cm 2,8 cm
25 cm
30 cm
45
-0.2
-0.18
-0.16
-0.14
-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
x [m]
vert
ikal
e V
erfo
rmun
g [m
]
0
40
20
30
50
10
60
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50 60
Zeit [min]
Mom
ent [
kNm
] Msd,fi,Feld
MRd,fi,Fel
d
MRd,fi,Stütze
Msd,fi,Stütze
Durchbiegung und Momentenverlauf
Feld Achse A-B
46
Zusammenfassung und Fazit• Bedeutung Brandszenarien und Bemessungsbrand
• Leistungsorientierte Brandschutzbemessung muss im Kontext zu ganzheitlichem Brandschutzkonzept stehen
• Abgrenzung über die Wärmefreisetzungsrate bzw. Abbrandrate
• Allgemeine Naturbrandmodelle: Prüfen ob Bemessungs-
Energiefreisetzungsrate umgesetzt wird
• Vereinfachte Naturbrandmodelle: Näherungsgleichungen bzw.
Gleichsetzen der max. Energiefreisetzungsrate ventilations-/
brandlastgesteuerter Brand
49
• Vergleichsrechnungen mit Zonen- und Feldmodellen• Nachrechnung von dokumentierten Brandversuchen• Durchführung Validierungsversuch• Validierungskriterien
- Maximaltemperatur- Integral der Temperaturzeitkurve
(Maß für Energieeintrag in die Bauteile)
nach 30, 60, 90 und 180 Minuten
Validierung EC 1-1-2/NA-Kurven
50
0,7
0 m
3,2
0 m
Tü
r
3 ,20 m
3,60 m
1,4
5 m
1,4
5 m
S7
M4
M6M7
M2M1
M5
M3
2,6
0 m
B randlast
1,8
0 m
1,0
0 m
3 ,60 m
Abzugshaube
Validierungsversuch Aufbau
51
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40 50 60Zeit [min]
Tem
pe
ratu
r [°
C]
EC 1-1-2/NA
Versuch
Zonenmodell
Validierungsversuch Simulation
52
Beispiel Verwaltungsgebäude
Chefbüro
Großraumbüro
53
Beispiel Chefbüro
Chefbüro
54
Beispiel Chefbüro
H
Aw,1
Aw,2
Af hw,2
hw,1
q2
q1
Aw = S Aw,i;
i = 1
2
hw = S (hw,i ∙ Aw,i) / S Aw,i;i = 1 i = 1
2 2
q = S qi;
i = 1
2
A t =2A f +2 H ( W +D )
WD
55
Eingangsparameter
HAw
,1
Aw,
2
A
f
hw
,2
hw
,1
q
2
q
1
WD
H = 2,90 m; = 40 m²W/D = 8/5 = 1,6 = 155,4 m²b = 2000 J/(mK);